Τ.Ε.Ι. ΚΡΗΤΗΣ ΣΧΟΛΗ ΕΦΑΡΜΟΣΜΕΝΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΜΟΥΣΙΚΗΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ & ΑΚΟΥΣΤΙΚΗΣ Τ.Ε. ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΑ ΗΧΗΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Ι

Transcript

1 Τ.Ε.Ι. ΚΡΗΤΗΣ ΣΧΟΛΗ ΕΦΑΡΜΟΣΜΕΝΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΜΟΥΣΙΚΗΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ & ΑΚΟΥΣΤΙΚΗΣ Τ.Ε. ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΑ ΗΧΗΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Ι ΚΕΧΡΑΚΟΣ ΚΩΣΤΑΣ ΧΟΥΣΙΔΗΣ ΧΡΗΣΤΟΣ ΡΕΘΥΜΝΟ 2013

2 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Ο ΗΧΟΣ ΣΑΝ ΚΥΜΑΤΙΚΟ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ Ορισμός του ήχου Ηχητικά κύματα στον αέρα Το ημιτονικό κύμα...8 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΤΟ ΑΚΟΥΣΤΙΚΟ (AUDIO) ΣΗΜΑ Ηλεκτρική αναπαράσταση του ήχου Φάση Πρόσθεση ημιτονικών κυμάτων Ερωτήσεις.12 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΜΕΓΕΘΗ ΤΟΥ ΗΧΟΥ Αντικειμενικά & υποκειμενικά χαρακτηριστικά του ήχου Συχνότητα (frequency) - Ύψος (pitch) Δημιουργώντας την οκτάβα Ένταση (intensity) - Ακουστότητα (loudness) Φάσμα συχνοτήτων (frequency spectrum) Χροιά (timbre) Νόμος του Fourier Εύρος συχνοτήτων της ανθρώπινης φωνής και των μουσικών οργάνων Φάσμα των μουσικών οργάνων Ερωτήσεις.20 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΗΧΟΥ ΚΑΙ ΑΠΟΚΡΙΣΗ ΣΥΧΝΟΤΗΤΑΣ Έννοια και σκοπός ενός συστήματος ήχου Συχνοτική απόκριση (frequency response) Συχνοτική απόκριση με σχέσεις οκτάβας Ερωτήσεις.24 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΤΟ DECIBEL Μαθηματικός ορισμός του db Γιατί βοηθάει η χρήση του db Σχετικές και απόλυτες στάθμες Στάθμες σημάτων dbm dbu dbv, dbv και dbw db SPL Πρόσθεση των db Ερωτήσεις...30 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΜΙΚΡΟΦΩΝΑ Μετατροπή του ηχητικού σήματος σε ηλεκτρικό Κατηγορίες μικροφώνων Διαχωρισμός των μικροφώνων ΗΧΗΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Ι ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ ΘΕΩΡΙΑΣ 2

3 ως προς τον τύπο του μετατροπέα Δυναμικά μικρόφωνα Πυκνωτικά μικρόφωνα Μικρόφωνα ταινίας (ribbon) Μικρόφωνα άνθρακα (carbon) Πιεζοηλεκτρικό (κρυσταλλικό) μικρόφωνο Διαχωρισμός των μικροφώνων ανάλογα με τον τρόπο που δημιουργείται η ταλάντωση στο διάφραγμα Μικρόφωνα πίεσης Μικρόφωνα διανυσματικής διαφοράς πίεσης Διαχωρισμός των μικροφώνων ανάλογα με το πολικό τους διάγραμμα Παντοκατευθυντικά (omnidirectional) Καρδιοειδή (cardioid) Δικατευθυντικό (bi-directional ή figure-8) Υπερκαρδιοειδές (supercardioid) Πολικά διαγράμματα και συχνότητα Μερικές ακόμα κατηγορίες μικροφώνων ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 ΚΟΝΣΟΛΕΣ ΜΙΞΗΣ Γενικά Η κατασκευή της κονσόλας μίξης Πως δουλεύει ένα κανάλι; Προενισχυτής (preamplifier) Ρύθμιση τόνου (ισοσταθμιστής ή equalizer) Βοηθητικές έξοδοι (auxiliary) Ρυθμιστικό πανοραμικής τοποθέτησης (ΡΑΝorama control) Fader Διακόπτης mute Insert (εισαγωγές/παρεμβολές σήματος) Phantom power Τμήμα εξόδου Η κονσόλα στο PA...45 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8 ΜΕΓΑΦΩΝΑ Μέθοδοι ηλεκτρoακουστικής μετατροπής στα μεγάφωνα Ηλεκτρομαγνητική μετατροπή Πιεζοηλεκτρική μετατροπή Συχνοτική απόκριση μεγαφώνου Διάφοροι τύποι μεγαφώνων ανάλογα με την περιοχή συχνοτήτων Μεγάφωνα απευθείας ακτινοβολίας Ηλεκτρονικοί διαχωριστές περιοχής συχνοτήτων (crossover) Χαρακτηριστικά μεγαφώνων Συνδυασμοί μεγαφώνων Κατασκευή ηχείων ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α. Τι είναι το RMS..56 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ B. Λογάριθμοι...56 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Γ. Μουσική Τεχνολογία στο διαδίκτυο.57 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ...59 ΗΧΗΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Ι ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ ΘΕΩΡΙΑΣ 3

4 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Το μάθημα Ηχητικά Συστήματα Ι έχει σαν σκοπό να εισαγάγει τους νέους σπουδαστές στην σχέση της μουσικής με την σύγχρονη τεχνολογία, να τους εξοικειώσει με όρους και ονόματα ηχητικών συστημάτων και συσκευών και να τους κάνει να παρακολουθήσουν με μεγαλύτερη ευκολία το πρόγραμμα σπουδών του τμήματος. Είναι ουσιαστικά το βάπτισμα του πυρός για τους νέους που μπαίνουν σε αυτόν τον τόσο ιδιαίτερο χώρο. Η ύλη που θα αναλύσουμε παρακάτω αναφέρεται αρχικά σε μια σύντομη εισαγωγή στον ήχο και κυρίως στα ηχητικά κύματα στον αέρα, εξετάζοντας τα αντικειμενικά & υποκειμενικά χαρακτηριστικά του ήχου. Θα προσπαθήσουμε να κατανοήσουμε πως παράγεται η μουσική και πως με την βοήθεια της σύγχρονης τεχνολογίας μπορούμε να διαχειριστούμε τον ήχο, θα εξετάσουμε δηλ. το audio σήμα. Στην συνέχεια θα δούμε τα ηχητικά συστήματα και ότι αυτά περιλαμβάνουν (μικρόφωνα, κονσόλες μίξης του ήχου, μεγάφωνα, επεξεργαστές σήματος κ.λ.π.) και τα χαρακτηριστικά αυτών. Το μάθημα Ηχητικά Συστήματα Ι είναι απλό και συγχρόνως σύνθετο. Είναι απλό γιατί δεν ασχολείται με έννοιες και θέματα δύσκολα ως προς την κατανόηση και την εκμάθηση τους, αλλά και σύνθετο γιατί απαιτεί την προσοχή μας τόσο σε θέματα επιστημονικά και τεχνολογικά όσο και σε θέματα ιστορικά και θεωρητικά. Η διδασκαλία του μαθήματος ολοκληρώνεται με τα θέματα και τις ασκήσεις που θα αναπτύσσονται στις παραδόσεις, καθώς και με την παρακολούθηση του αντίστοιχου εργαστηριακού μαθήματος, όπου εκεί θα έχετε την ευκαιρία να μελετήσετε εκ του φυσικού τις συσκευές ενός ηχητικού συστήματος. ΗΧΗΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Ι ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ ΘΕΩΡΙΑΣ 4

5 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1. Ο ΗΧΟΣ ΣΑΝ ΚΥΜΑΤΙΚΟ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ Κάθε μουσικό όργανο και πιο γενικά κάθε σύστημα παραγωγής ήχου ακολουθεί τους κανόνες της ακουστικής. Είναι λοιπόν απαραίτητο για να κατανοήσουμε πώς λειτουργούν τα σύγχρονα συστήματα επεξεργασίας της μουσικής αλλά και τα μουσικά όργανα, να γνωρίζουμε μερικές από τις αρχές της ακουστικής, τον κλάδο δηλαδή της φυσικής που ασχολείται με τις ιδιότητες του ήχου. Για την επιστήμη της Φυσικής ο ήχος είναι ένα είδος ενέργειας, η οποία ονομάζεται ακουστική ενέργεια. Η ακουστική ενέργεια είναι μεταβολές της πίεσης του ατμοσφαιρικού αέρα ή αλλιώς μεταβαλλόμενα κύματα πίεσης, τα οποία διαδίδονται σ' ένα ελαστικό μέσο, που είναι συνήθως ο αέρας. Για την επιστήμη της Φυσιολογίας και της Ψυχολογίας, ο ήχος είναι η αίσθηση που παράγεται, όταν οι μεταβολές της πίεσης διεγείρουν το αισθητήριο όργανο της ακοής, δηλαδή το ανθρώπινο αυτί. Ο ήχος θεωρείται υπαρκτός από τον άνθρωπο, εφ' όσον γίνεται αντιληπτός από το αισθητήριο της ακοής, επομένως προσδιορίζεται με υποκειμενικά κριτήρια. Ανεξάρτητα όμως από τον υποκειμενικό εντοπισμό τους οι ήχοι υπάρχουν αντικειμενικά, διότι είναι δυνατόν αφ' ενός μεν να ανιχνεύονται και να καταγράφονται από όργανα μετρήσεων, αφ' ετέρου δε να μελετώνται και να περιγράφονται με επιστημονικές μεθόδους. 1.1 Ορισμός του ήχου Όλοι μας γνωρίζουμε και αντιλαμβανόμαστε τι είναι ήχος. Ωστόσο στην ερώτηση "τι είναι ήχος" είναι δύσκολο να δώσουμε μία σαφή απάντηση. Για να μπορέσουμε να δώσουμε έναν ορισμό για τον ήχο πρέπει να κατανοήσουμε το μηχανισμό δημιουργίας του. Ήχος παράγεται αν διαταράξουμε την "ομαλά" τυχαία κίνηση των μορίων του αέρα. Εάν για παράδειγμα χτυπήσουμε τις παλάμες των χεριών μας, το αποτέλεσμα θα είναι να δημιουργηθεί στο χώρο μία διαδοχική πύκνωση και αραίωση των μορίων του αέρα η οποία διαδίδεται προς όλες τις κατευθύνσεις. Η διαμόρφωση αυτή των μορίων του αέρα σε πυκνώματα και αραιώματα αποτελεί τη δημιουργία ενός ηχητικού κύματος που διαδίδεται σ' ένα ελαστικό μέσο όπως είναι ο αέρας (σχήμα 1). Με βάση τα παραπάνω, ήχος είναι μια διαταραχή ενός ελαστικού μέσου που διαδίδεται σε αυτό προς όλες τις κατευθύνσεις. Η ταχύτητα διάδοσης της διαταραχής αυτής (ταχύτητα διάδοσης ηχητικού κύματος) εξαρτάται από τα χαρακτηριστικά του μέσου διάδοσης. Σχήμα 1: Διαμόρφωση των μορίων του αέρα κατά τη διάδοση ηχητικού κύματος. Οι ήχοι διακρίνονται σε: Απλούς ήχους ή απλούς τόνους (π.χ. ο ήχος του διαπασών), στους οποίους η μορφή του ηχητικού κύματος (κυματομορφή) είναι περιοδική και ημιτονοειδής. Ο τόνος είναι ένα είδος απλού ή σύνθετου ήχου που παράγουν τα περισσότερα μουσικά όργανα, διαρκεί για αρκετό χρόνο και είναι αρκετά σταθερός, ώστε το αυτί να μπορεί να αντιληφθεί τα χαρακτηριστικά του, σύνθετους ήχους ή σύνθετους τόνους ή φθόγγους, που αποτελούνται από τη σύνθεση πολλών απλών ήχων και η κυματομορφή τους είναι μεν περιοδική, αλλά όχι ημιτονοειδής, θορύβους, που αντιστοιχούν σε μη περιοδικά ηχητικά κύματα και κρότους, που είναι απότομοι θόρυβοι μικρής χρονικής διάρκειας. Οι θόρυβοι και οι κρότοι διαφέρουν από τους απλούς και σύνθετους ήχους για τη μη περιοδικότητα τους, γι' αυτό το ύψος τους είναι δυσδιάκριτο ή απροσδιόριστο. Σχήμα 2: Γραφικές παραστάσεις ενός απλού ήχου(ι), ενός σύνθετου ήχου(ιι), ενός θορύβου(ιιι) και ενός κρότου(ιv). ΗΧΗΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Ι ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ ΘΕΩΡΙΑΣ 5

6 Η διάδοση του ήχου γίνεται με τη μορφή ηχητικών κυμάτων που αναπτύσσονται στα διάφορα μέσα. Τα ηχητικά κύματα αυτά ονομάζονται ελαστικά κύματα γιατί αναπτύσσονται στα διάφορα ελαστικά μέσα (στερεά, υγρά, αέρια). Η ανάπτυξη και διάδοση των ηχητικών κυμάτων (και γενικότερα όλων των κυμάτων) επιτυγχάνεται εξαιτίας της αδράνειας και της ελαστικότητας που χαρακτηρίζουν τα ελαστικά μέσα. Το φαινόμενο διάδοσης των ηχητικών κυμάτων γίνεται κατανοητό αν θεωρήσουμε το ακόλουθο παράδειγμα. Ενώνουμε μικρές σφαίρες με τη βοήθεια ελατηρίων όπως φαίνεται στο σχήμα 3. Αν εκτρέψουμε από τη θέση ισορροπίας την αρχική σφαίρα κατά την οριζόντια διεύθυνση, τότε παρατηρούμε ότι οι σφαίρες αρχίζουν να εκτρέπονται διαδοχικά η μία μετά την άλλη κατά την ίδια διεύθυνση. Το σύστημα σφαίρες-ελατήρια περιγράφει ακριβώς το μηχανισμό διάδοσης του κύματος μέσα σε ένα μέσο, όπου οι σφαίρες αποτελούν τα μόρια του μέσου. Η ταχύτητα διάδοσης c του ηχητικού κύματος εξαρτάται από τα χαρακτηριστικά του μέσου διάδοσης. Έχει παρατηρηθεί ότι οι ταχύτητες διάδοσης είναι πολύ μεγαλύτερες στα στερεά και στα υγρά από ότι στα αέρια, γεγονός που σχετίζεται με τις πυκνότητες των αντίστοιχων μέσων. Στον πίνακα 1 δίνεται η ταχύτητα διάδοσης του ήχου σε διάφορα μέσα. Η ακουστική (ή ηχητική) πίεση συμβολίζεται με το γράμμα p και μετριέται στο SI σε Pascal (Pa). Ένας πιο σαφής ορισμός για τον ήχο έγκειται στο ότι η δημιουργία ήχου ταυτίζεται με τις μεταβολές της ακουστικής πίεσης, δηλαδή με την τοπική αύξηση και μείωση της ατμοσφαιρικής πίεσης σε σχέση με τη μέση στατική πίεση. 1.2 Ηχητικά κύματα στον αέρα Στον αέρα ο ήχος διαδίδεται με διαμήκη ηχητικά κύματα, τα οποία όταν φθάσουν στο αισθητήριο της ακοής δημιουργούν την αίσθηση της ακοής. Εγκάρσια κύματα δεν μπορούν να διαδοθούν στα αέρια διότι τα διάφορα αέρια στρώματα (κάθετα στη διεύθυνση διάδοσης), δεν αντιδρούν σε τάσεις ολίσθησης, αλλά μόνο σε τάσεις συμπίεσης. Τα κύματα συνήθως είναι αρμονικά ή όταν δεν είναι, μπορούν να αναλυθούν σε αρμονικά με ανάλυση Fourier ( 3.6). Τα διαμήκη ηχητικά κύματα, όπως είδαμε στην προηγούμενη παράγραφο, αποτελούνται από τοπικές μεταβολές της πίεσης του αέρα. Οι μεταβολές αυτές οφείλονται στις ταλαντώσεις των μορίων του αέρα κατά την διεύθυνση της διάδοσης. Η πίεση του αέρα σε κάποιο σημείο αυξάνεται πάνω από την ατμοσφαιρική και κατόπιν ελαττώνεται κάτω απ' αυτήν εκτελώντας αρμονική ταλάντωση με την ίδια συχνότητα που ταλαντώνονται τα μόρια του αέρα. Σχήμα 3: Μηχανισμός διάδοσης του ηχητικού κύματος σε ένα μέσο. Κατά τη διάδοση του ηχητικού κύματος σε ένα μέσο δεν παρατηρείται μεταφορά των μορίων του μέσου, αλλά της διαταραχής από το ένα μόριο στο διπλανό του κοκ. Έτσι, στα αέρια το ηχητικό κύμα διαδίδεται με εναλλαγές πυκνωμάτων (αυξήσεις της πίεσης) και αραιωμάτων (ελαττώσεις της πίεσης) ανάμεσα σε διπλανά σημεία του μέσου. Μέσο Διάδοσης Ταχύτητα του ήχου (m/sec) Αέρας 344 Νερό 1480 Ατσάλι 6096 Πίνακας 1: Ταχύτητα διάδοσης του ήχου στα διάφορα μέσα. Η μονάδα μέτρησης της πίεσης στο SI είναι το Pascal (Pa). 1 Pa = 1 Newton ανά τετραγωνικό μέτρο (N/m 2 ). Για τις μονάδες πίεσης ατμόσφαιρα και bar ισχύει ότι: 1 standard atmosphere (atm) = Pa I bar = 10 6 dyn/cm 2 οπότε και ισχύει ότι: 1 Pa = 10 5 bar = atm. ΗΧΗΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Ι ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ ΘΕΩΡΙΑΣ 6

7 Για την περιγραφή των ηχητικών κυμάτων χρησιμοποιούμε την ακουστική πίεση (p), που είναι η ποσότητα που μετρούν τα μικρόφωνα. Με τον όρο ηχητική πίεση στην ακουστική εννοούμε τη δημιουργούμενη υπερπίεση ή υποπίεση (σε σχέση με την ατμοσφαιρική πίεση) που δημιουργεί το ηχητικό κύμα, κατά τη διάδοση του. Σε αντίθεση με την ακουστική πίεση με τον όρο στατική πίεση (P) εννοούμε την στατική πίεση του μέσου διάδοσης, που για την περίπτωση διάδοσης του ήχου στον αέρα είναι η ατμοσφαιρική πίεση. Η μέγιστη διαφορά της στιγμιαίας πίεσης που δημιουργεί το ηχητικό κύμα από την ατμοσφαιρική σε κάποιο σημείο ονομάζεται πλάτος πίεσης. Στα υγρά ο ήχος διαδίδεται με διαμήκη και επιφανειακά κύματα, ενώ στα στερεά η διάδοση του ήχου γίνεται με όλους τους τύπους των κυμάτων. 1.3 Το ημιτονικό κύμα Αν δούμε το σχήμα 1 παρατηρούμε ότι τα πυκνώματα και αραιώματα των μορίων του αέρα επαναλαμβάνονται με τον ίδιο τρόπο. Το ίδιο συμβαίνει και με την καμπύλη μεταβολής της ηχητικής πίεσης. Τα ηχητικά κύματα που εμφανίζουν αυτό το χαρακτηριστικό, δηλαδή επαναλαμβάνονται ανά τακτά χρονικά διαστήματα ονομάζονται ως γνωστό περιοδικά. Το ημιτονικό κύμα είναι μια βασική κυματομορφή που έχει στενή σχέση με την απλή αρμονική κίνηση. Η βιβλιογραφία στα ηλεκτρονικά, στην ακουστική ή στην μηχανική είναι γεμάτη από όρους σχετικούς με εναλλασσόμενα σήματα γενικώς και ειδικότερα με το ημιτονικό κύμα. Άρα είναι σκόπιμο να είμαστε εξοικειωμένοι με αυτούς. Παρατηρείστε το παρακάτω σχήμα. Βλέποντας την ημιτονική κυματομορφή του σχήματος 3 και έχοντας μελετήσει την 1.1 είναι φανερό ότι ένας πλήρης κύκλος ενός κύματος ακουστικής πίεσης συνίσταται από μισό κύκλο πυκνώματος (δηλαδή υψηλότερης πίεσης) των μορίων του αέρα, ακολουθούμενο από μισό κύκλο εκτόνωσης (δηλαδή χαμηλότερης πίεσης) των μορίων. Ήχοι με υψηλότερο πλάτος (amplitude) δηλ. δυνατότεροι, πυκνώνουν και αραιώνουν τα μόρια του αέρα σε μεγαλύτερη έκταση από ότι το κάνουν οι ήχοι με μικρότερο πλάτος, δηλ. χαμηλότεροι. Ο ρυθμός της εναλλαγής της πίεσης του αέρα καλείται συχνότητα (frequency) του κύματος και συμβολίζεται με f. Η συχνότητα αντιστοιχεί στο μουσικό χαρακτηρισμό του τονικού ύψος (pitch). Αν και το τονικό ύψος είναι ένα πιο σύνθετο χαρακτηριστικό από τη συχνότητα (μια και εξαρτάται και από την ένταση), γενικά σε υψηλότερες συχνότητες Σχήμα 4: Αναπαράσταση ενός ηχητικού κύματος (ένας κύκλος ημιτονικού κύματος στον αέρα). Γίνεται φανερό πως ορίζονται το πλάτος (amplitude), η περίοδος (period) και το μήκος κύματος (wavelength). ΗΧΗΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Ι ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ ΘΕΩΡΙΑΣ 7

8 αντιστοιχούν υψηλότερα τονικά ύψη του ήχου. Ο χρόνος που απαιτείται για ένα πλήρη κύκλο του ηχητικού κύματος καλείται περίοδος (period) του κύματος και συμβολίζεται με Τ. Η περίοδος του κύματος εκφράζεται σε κύκλους ανά δευτερόλεπτα (cps, δηλ. cycles per sec) και βρίσκεται από την εξίσωση: Τ = f 1 Η απόσταση που καλύπτεται από έναν πλήρη κύκλο ήχου δοσμένη συχνότητας όταν περνάει από τον αέρα ονομάζεται μήκος κύματος (wavelength), συμβολίζεται συνήθως με λ και δίδεται από την εξίσωση: λ = c f όπου c είναι η ταχύτητα του ήχου. ΗΧΗΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Ι ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ ΘΕΩΡΙΑΣ 8

9 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2. ΤΟ ΑΚΟΥΣΤΙΚΟ (AUDIO) ΣΗΜΑ 2.1 Ηλεκτρική αναπαράσταση του ήχου Ένα ακουστικό σήμα είναι μια ηλεκτρική αναπαράσταση ενός ήχου υπό μορφή κυμαινόμενης τάσης (ή ρεύματος). H τάση (ή το ρεύμα των σημάτων) εναλλάσσεται με ρυθμό ακριβώς ίδιο με της ακουστικής ενέργειας που αναπαριστά (αυτό βέβαια εξαρτάται από την ποιότητα του ακουστικού εξοπλισμού) και τα πλάτη του ηχητικού κύματος και του ηλεκτρικού (audio) σήματος είναι σε κάποια αναλογία. Αυτά γίνονται φανερά στο σχήμα 4. Η ένταση ενός ακουστικού σήματος εκφράζεται και σαν στάθμη σήματος (signal level). Πολλά διαφορετικοί τρόποι έκφρασης της στάθμης υπάρχουν στα ακουστικά συστήματα. Η στάθμη (ακουστική ή ηλεκτρική) περιγράφεται σε decibel. Θα δούμε τον ορισμό των decibel παρακάτω. 2.2 Φάση Η χρονική σχέση ενός ηχητικού σήματος ως προς ένα άγνωστο χρονικό σημείο αναφοράς ονομάζεται φάση του σήματος. Η φάση εκφράζεται σε μοίρες (degrees). Ένας πλήρης κύκλος ενός ημιτονικού σήματος ισοδυναμεί με 360 μοίρες. Η χρονική στιγμή αναφοράς μπορεί να είναι τυχαία επιλεγμένη χρονική στιγμή ή να είναι η χρονική στιγμή έναρξης ενός φαινομένου. Σχήμα 5: Αναπαράσταση ενός audio σήματος (ένας κύκλος ημιτονικού κύματος). Για να δούμε την έννοια της φάσης (αλλά και της συχνότητας) ενός ηχητικού κύματος, θα αναφερθούμε στην κυματομορφή ενός απλού ήχου (τόνου), του ημίτονου, που ήδη μελετήσαμε στην 1.2, το οποίο αποτελείται από μία μόνο συχνότητα και είναι η πιο απλή ταλάντωση που συμβαίνει στη φύση (δηλαδή δεν μπορεί ν' αναλυθεί σε απλούστερες). Ένα ημιτονικό σήμα περιγράφεται από την ακόλουθη εξίσωση: x(t) = Α cos(2πf t + θ) όπου Α, f και θ είναι αντίστοιχα το πλάτος,, η συχνότητα και η γωνία φάσης και ο συμβολισμός cos αντιστοιχεί στη συνάρτηση συνημίτονου. Για να κατανοήσουμε καλύτερα την έννοια της φάσης ας δούμε το σχήμα 7 που μας περιγράφει την σχέση φάσης ενός σήματος εισόδου και ενός σήματος εξόδου από μια βαθμίδα επεξεργασίας σήματος. Σχήμα 6: Κυματομορφή ημιτονικού σήματος. Στον οριζόντιο άξονα αναπαρίσταται ο χρόνος και στον κατακόρυφο το πλάτος (ή ένταση) της ταλάντωσης. ΗΧΗΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Ι ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ ΘΕΩΡΙΑΣ 9

10 Βλέπουμε λοιπόν ότι το πρώτο σήμα εξόδου είναι σε φάση με το σήμα εισόδου. Και τα δύο σήματα περνούν από την τιμή μηδέν του χρόνου την ίδια στιγμή. Το δεύτερο σήμα εξόδου βλέπουμε ότι είναι εκτός φάσης 90 ο με την είσοδο και περνά από το χρονικό σημείο μηδέν όταν η είσοδος έχει τη μέγιστη τιμή. Στο τρίτο σήμα εξόδου έχουμε διαφορά φάσης 180 ο. Και τα δύο σήματα περνούν από το μηδέν την ίδια χρονική στιγμή, αλλά με διαφορετικές κατευθύνσεις. Η φάση είναι μια έννοια πολύ χρήσιμη στα συστήματα ήχου και ο κύριος λόγος είναι ότι έχει άμεση σχέση με την άθροιση των σημάτων. Όταν τα ακουστικά σήματα ενώνονται μέσα στις συσκευές ήχου (ή τα κύματα στον αέρα) το αποτέλεσμα που προκύπτει είναι στην ουσία μια αλγεβρική πρόσθεση των κυματομορφών των σημάτων. Στην παρακάτω παράγραφο θα δούμε τα αποτελέσματα μιας τέτοιας άθροισης για σήματα σε φάση και εκτός φάσης. 2.3 Πρόσθεση ημιτονικών κυμάτων Στο σχήμα 8 βλέπουμε τι συμβαίνει όταν προστίθενται δυο ημιτονικά σήματα που έχουν το ίδιο πλάτος και την ίδια συχνότητα. Σχήμα 7: Σχέσεις φάσεων μεταξύ σημάτων εισόδου και εξόδου. στην περίπτωση (α) τα σήματα έχουν την ίδια φάση (συμφασικά) και προστιθέμενα μας δίνουν ένα σήμα με πλάτος διπλάσιο του πλάτους του κάθε αρχικού σήματος. στην περίπτωση (β) τα σήματα έχουν διαφορά φάσης 90 ο και προστιθέμενα μας δίνουν ένα σήμα με πλάτος 1,414 φορές το πλάτος του κάθε αρχικού σήματος. στην περίπτωση (γ) τα σήματα έχουν διαφορά φάσης 180 ο και μας δίνουν άθροισμα μηδέν, δηλ. ακυρώνουν το ένα το άλλο. Σχήμα 8: Πρόσθεση δυο σημάτων ίσου πλάτους και συχνότητας, αλλά με διαφορά φάσης 0 o, 90 o και 180 o. ΗΧΗΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Ι ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ ΘΕΩΡΙΑΣ 10

11 2.4 Ερωτήσεις 1. Ένα ακουστικό κύμα έχει περίοδο 1 msec. Ποιο είναι το μήκος κύματος του στον αέρα; 2. Ποια είναι η σχέση της περιόδου και του μήκους κύματος σε ένα ακουστικό κύμα; 3. Δυο αρμονικά ηχητικά κύματα με πλάτος Α και διαφορά φάσης 90 Ο προστίθενται. Είναι το κύμα που προκύπτει αρμονικό και γιατί; Αν ναι, ποιο είναι το πλάτος του σε σχέση με το Α; (ε) Η κυματομορφή που είναι αποτέλεσμα της πρόσθεσης των f 1, f 2 και f 3. Και οι τρεις συνιστώσες είναι "σε φάση", δηλαδή όλες ξεκινούν από το μηδέν την ίδια χρονική στιγμή. 5. Μελετείστε το παρακάτω σχήμα. Αναφέρεται στην πρόσθεση ημιτονικών κυμάτων που δεν βρίσκονται σε φάση. 4. Μελετείστε το παρακάτω σχήμα. Αναφέρεται στην πρόσθεση ημιτονικών κυμάτων που βρίσκονται σε φάση. (α) Το θεμελιώδες σήμα με συχνότητα f 1. (β) Μια δεύτερη αρμονική με συχνότητα f 2 πλάτος ίσο με το μισό του πλάτους του f 1. = 2f 1 και με (γ) Το άθροισμα των f 1 και f 2 που λαμβάνεται με πρόσθεση των τεταγμένων σημείο προς σημείο. (α) Το θεμελιώδες σήμα με συχνότητα f 1, (β) Η δεύτερη αρμονική f 2 με διπλάσια συχνότητα και το μισό πλάτος της f 1, που προηγείται κατά 90 σε σχέση με την f 1. (γ) Το άθροισμα των f 1 και f 2 που λαμβάνεται αν προσθέσουμε τις τεταγμένες σημείο προς σημείο. (δ) Μια τρίτη αρμονική με συχνότητα f 3 = 3f 1 το μισό του πλάτους του f 1. και με πλάτος (δ) Η τρίτη αρμονική f 3 με φάση κατά 90 πίσω από την f 1 και με το μισό πλάτος της f 1, (ε) Το άθροισμα των f 1, f 2, και f 3. ΗΧΗΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Ι ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ ΘΕΩΡΙΑΣ 11

12 6. Να γίνει σύγκριση της κυματομορφής του σχήματος 8 με την κυματομορφή του σχήματος 9.Μελετείστε την διαφορά που υπάρχει στα δυο σχήματα. Η διαφορά που εντοπίσατε οφείλεται αποκλειστικά στην μετατόπιση της φάσης των αρμονικών σε σχέση με την θεμελιώδη. 7. Σκιαγραφήστε τις κυματομορφές των ημιτονικών σημάτων x 1(t) = cos (2πt 90 ο ) x 2(t) = 4 1 sin (20πt) και βρείτε τις τιμές των χαρακτηριστικών σταθερών τους (δηλ. πλάτος, συχνότητα, γωνία φάσης).. ΗΧΗΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Ι ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ ΘΕΩΡΙΑΣ 12

13 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3. ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΜΕΓΕΘΗ ΤΟΥ ΗΧΟΥ 3.1 Αντικειμενικά & υποκειμενικά χαρακτηριστικά του ήχου Μιλώντας για τα αντικειμενικά χαρακτηριστικά του ήχου, ουσιαστικά αναφερόμαστε στα φυσικά χαρακτηριστικά του, δηλαδή εκείνα που μπορούν να περιγραφούν και να μελετηθούν από τη Φυσική επιστήμη (Μηχανική, Ακουστική, Ηλεκτρολογία) και να προσδιοριστούν ποσοτικά και ποιοτικά επακριβώς μέσω μετρήσεων, που γίνονται από εξειδικευμένα όργανα και συσκευές. Τα αντικειμενικά χαρακτηριστικά του ήχου με τα οποία ένα ηχητικό κύμα μπορεί να προσδιοριστεί πλήρως, είναι η συχνότητα, η ένταση, το φάσμα συχνοτήτων (κυματομορφή) και η διάρκεια του. Η φάση χωρίς ν' αποτελεί ένα ιδιαίτερο χαρακτηριστικό περιγράφει τη στιγμιαία κατάσταση του κύματος, η ταχύτητα αναφέρεται στη διάδοση του κύματος στο χώρο ανά μονάδα χρόνου, το μήκος κύματος βρίσκεται σε άμεση σχέση με τη συχνότητα του και τέλος η δυναμική του ανάπτυξη αναφέρεται στην εξέλιξη της έντασης στο χρόνο. Αντίστοιχα, τα υποκειμενικά χαρακτηριστικά του ήχου αφορούν τις αισθήσεις και τις ψυχολογικές εντυπώσεις που δημιουργούνται στον ακροατή, οι οποίες σχετίζονται με το ποιόν και το ποσόν ενός ήχου που γίνεται αντιληπτός. Τα υποκειμενικά χαρακτηριστικά δεν μπορούν να μετρηθούν με το συμβατικό τρόπο, δηλαδή με όργανα μετρήσεων. Η μελέτη και ανάλυση τους γίνεται μέσα από έλεγχο-δοκιμασία (test) ομάδων ακροατών. Τα υποκειμενικά χαρακτηριστικά των ήχων είναι το ύψος, η ακουστότητα και η χροιά (ηχόχρωμα). Το ύψος ενός ήχου εξαρτάται από τη συχνότητα του, η ακουστότητα από την ένταση και η χροιά από το φάσμα συχνοτήτων του. Η θεμελιώδης αντιστοιχία λοιπόν μεταξύ των τριών βασικών υποκειμενικών και αντικειμενικών χαρακτηριστικών του ήχου είναι η ακόλουθη: συχνότητα ύψος ένταση ακουστότητα φάσμα συχνοτήτων χροιά Στα αμέσως επόμενα κεφάλαια θ' αναφερθούμε αναλυτικά και κατ' αντιστοιχία στα πιο πάνω μεγέθηχαρακτηριστικά. Στην καθημερινή ακουστική πραγματικότητα αυτό που ακούμε (ήχος) σπάνια είναι ένα ακριβές αντίγραφο του φυσικού ερεθίσματος (ηχητικό κύμα). Αντίθετα, αυτό που ακούμε είναι ένα παραλλαγμένο αντίγραφο του αντικειμενικού ή φυσικού ήχου, επειδή η ακοή συνήθως δεν είναι τέλεια και εμφανίζονται ενδογενείς αλλοιώσεις και παραμορφώσεις. Σαν ακροατές υποκείμεθα σε μία σειρά από σφάλματα ακοής τα οποία περιληπτικά οφείλονται στους εξής παράγοντες και αίτια: Φυσικές δυνατότητες του οργάνου ακοής (αυτί) Φυσιολογικοί περιορισμοί της ακοής Ανακριβής ή ανεπαρκής ακουστική αντίληψη Αρχές της οικονομίας στην ακοή Αρχές της καλλιτεχνικής ακοής. Αυτές οι παρεκκλίσεις της υποκειμενικής ακοής από τον φυσικό ήχο-ερέθισμα μπορούν να χαρακτηριστούν σαν ένα είδος φυσιολογικής ψευδαίσθησης. Στην ουσία δεν είναι σφάλματα, αλλά εξυπηρετούν λόγους οικονομίας, αποδοτικότητας και αίσθησης του ωραίου στην ακοή και κατ' επέκταση στον κόσμο των αισθήσεων. Αυτή η γενική αρχή ισχύει για όλες τις αισθήσεις μας που είτε για λόγους οικονομίας ή φυσιολογικούς, είτε για λόγους καλλιτεχνικούς, τείνουν να παραλλάξουν το αντικειμενικό ερέθισμα (ήχος, εικόνα, χρώμα, σχήμα, κ.λπ.). Συνοπτικά, ο ήχος ερευνάται από τρεις διακριτούς τομείς της επιστήμης, οι οποίοι έχουν βέβαια κοινές περιοχές μεταξύ τους. η Φυσική (Μηχανική-Ακουστική) ερευνά τη γέννηση και διάδοση του ήχου, η Ακουστική Φυσιολογία ερευνά τους μηχανισμούς της ακοής και τους τρόπους μέσω των οποίων οι μεταβολές της πίεσης του αέρα διεγείρουν τα νεύρα και δημιουργούν αισθήσεις, τέλος, η Ψυχολογία - Ψυχοακουστική ερευνά βάσει ποιών νόμων οι αισθήσεις δημιουργούν σαφείς εικόνες, ή εντυπώσεις, ή αντιλήψεις στον εγκέφαλο του ακροατή. Οι παρεκκλίσεις της υποκειμενικής ακοής είναι ένας σημαντικός τομέας έρευνας της Ψυχοακουστικής. Πορίσματα αυτής της εν εξελίξει έρευνας βρίσκουν εφαρμογή στο σχεδιασμό των ηλεκτροακουστικών μονάδων ήχου. ΗΧΗΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Ι ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ ΘΕΩΡΙΑΣ 13

14 3.2 Συχνότητα (frequency) Ύψος (pitch) Η συχνότητα εκφράζει το πλήθος των εναλλαγών του σήματος στη μονάδα του χρόνου και η μονάδα μέτρησης της είναι το Hertz (Hz), όπου το 1 Hz σημαίνει μία εναλλαγή το δευτερόλεπτο. Λαμβάνοντας υπόψη την σχέση 3 της 1.2. συχνότητα για παράδειγμα 1 Hz δηλώνει ότι η περίοδος διαρκεί 1 sec, ενώ η συχνότητα 1000 Hz δηλώνει διάρκεια περιόδου ίση με το ένα χιλιοστό του δευτερολέπτου (1 msec). Το σχήμα 9 δείχνει τις θεμελιώδεις συχνότητες των νοτών του πιάνου. Το μεσαίο ΛΑ του πενταγράμμου (στο κλειδί του ΣΟΛ) είναι στα 440 Hz (είναι το A 4), ενώ το μεσαίο ΝΤΟ είναι στα Hz (είναι το C 4),. Το ύψος είναι η υποκειμενική απόκριση του αυτιού στην συχνότητα.. Εξαρτάται πρώτιστα από την θεμελιώδη συχνότητα του ηχητικού κύματος και καθορίζει αν ένας τόνος είναι υψηλός ή χαμηλός. Η σχέση που συνδέει την συχνότητα με το ύψος δεν είναι γραμμική. Δηλαδή ίσες μεταβολές στην συχνότητα δεν συνεπάγονται ίσες μεταβολές στην αίσθηση του ύψους. Παίζει σημαντικό ρόλο η στάθμη του ήχου, καθώς και η κυματομορφή του. Το ανθρώπινο αυτί ακόμα και αυτό με την καλύτερη ακουστική οξύτητα, μπορεί να ακούσει ήχους μεταξύ 20 και κύκλων / sec (20 Hz 20 khz). Πολλά εγχειρίδια συσκευών και μικροφώνων ονομάζουν αυτή την περιοχή passband ή pass-range. Κάτω από τα 20 Hz οι ήχοι ονομάζονται υπόηχοι και πάνω από 20 khz υπέρηχοι. Στον πίνακα 2 παίρνουμε μια ιδέα για τις περιοχές συχνοτήτων που γίνονται αντιληπτές και από άλλα πλάσματα του πλανήτη μας Οι περισσότεροι θόρυβοι που ακούμε στο φυσικό περιβάλλον είναι μη περιοδικοί. Αυτό σημαίνει ότι τα πυκνώματα και τα αραιώματα του αέρα είναι ακανόνιστα. Αυτό δεν μας επιτρέπει να χαρακτηρίσουμε το ύψος ενός τέτοιου θορύβου σαν υψηλό η χαμηλό, γιατί ενστικτωδώς υπολογίζουμε τον μέσο όρο των συχνοτήτων η την βασική συχνότητα αν είναι πάρα πολύ ισχυροί. Μη περιοδικοί θόρυβοι είναι για παράδειγμα ο θόρυβος του κλεισίματος μιας πόρτας, το σπάσιμο ενός τζαμιού, η τουρμπίνα ενός αεροπλάνου κλπ. Για τον λόγο αυτό οι ήχοι αυτοί δεν μπορούν να αναπαραχθούν από τις φωνητικές χορδές του ανθρώπου. Σχήμα 9: Οι θεμελιώδεις συχνότητες των νοτών του πιάνου. Άνθρωπος Σκύλος Γάτα Τζίτζικας Δελφίνι Νυχτερίδα Πίνακας 2: Όρια ακουστών ήχων συγκριτικά με τον άνθρωπο. Η δεξιά στήλη του πίνακα είναι προφανώς τιμές συχνοτήτων σε Ηz. ΗΧΗΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Ι ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ ΘΕΩΡΙΑΣ 14

15 3.3 Δημιουργώντας την οκτάβα Έτσι με βάση το ύψος οι ήχοι μπορούν να διαταχθούν σε μια μουσική κλίμακα. Στην Ευρωπαϊκή μουσική η διαίρεση της μουσικής κλίμακας γίνεται με οκτάβες. Η οκτάβα ορίζεται σαν η ζώνη συχνοτήτων όπου η αρχική συχνότητα f 1 και η τελική συχνότητα f 2 ικανοποιούν τη σχέση: f f 2 1 = 2 Για παράδειγμα η συχνότητα του επόμενου ΛΑ από αυτό που χρησιμοποιούμε για κούρδισμα (που είναι το ΛΑ των 440 Hz), θα είναι 880 Hz και η συχνότητα του επόμενου 1760 Hz, ενώ του αμέσως προηγούμενου από το πρώτο θα είναι 220 Hz. Η κλίμακα που χρησιμοποιούμε κατά κόρον στην Δυτική μουσική διαιρεί την οκτάβα σε 12 ίσα διαστήματα, τα ημιτόνια. Το αυτί του ανθρώπου όμως αντιλαμβάνεται την έννοια του ύψους όχι αναλογικά αλλά λογαριθμικά, έτσι για να υπολογίσουμε την συχνότητα της επόμενης νότας μιας οκτάβας όταν γνωρίζουμε τη συχνότητα της προηγούμενης νότας θα πρέπει να πολλαπλασιάσουμε την συχνότητα της προηγούμενης με 12 2 = Η οκτάβα αποτελεί τον γεωμετρικό μέσο των ακραίων συχνοτήτων, δηλαδή: 2 f o = f 1 f 2 ή f o = f1 f 2 Σε περίπτωση που δίδεται η κεντρική συχνότητα οι ακραίες συχνότητες προσδιορίζονται από τις παραπάνω σχέσεις και είναι: 2 f 1 = f o και f 2 2 = 2 f o Σχήμα 10: Γραφική παράσταση της λογαριθμικής συνάρτησης Υ = log 10 X. Για να κατανοήσουμε καλύτερα πως προκύπτει η 12 σταθερά 2 πρέπει να δούμε την έννοια του λογαρίθμου. Στο παραπάνω σχήμα παρατηρούμε ότι πρόκειται για δεκαδικό λογάριθμο (βάση το 10), ενώ το πεδίο ορισμού (άξονας Χ, που παριστάνει τις συχνότητες) έχει τιμές από 20 έως 1000 (Hz). Μιας και η ανθρώπινη ακοή είναι λογαριθμική για να χωρίσουμε για παράδειγμα την οκτάβα 440 Hz-880 Hz σε 12 ίσα ως προς την ακοή τμήματα, θα πρέπει το τμήμα στον άξονα Υ για το διάστημα αυτό να χωριστεί σε 12 ίσα μέρη. Βρίσκοντας τα αντίστοιχα σημεία στον άξονα Χ βλέπουμε ότι δεν είναι ίσα αλλά αυξάνονται προοδευτικά και ευρίσκονται αν πολλαπλασιάζουμε 12 κάθε φορά το προηγούμενο με την Ένταση (intensity) Ακουστότητα (loudness) Για να δονηθεί μια ηχητική πηγή και να παραχθεί ήχος πρέπει αυτή να διεγερθεί, δηλ. να δεχθεί την επενέργεια μιας δύναμης η οποία και θα προσφέρει στην ηχητική πηγή ενέργεια (π.χ. το χτύπημα μιας χορδής κιθάρας). Η παραγόμενη ταλάντωση εξασθενεί με την πάροδο του χρόνου και τελικά σβήνει μια και η ενέργεια καταναλώνεται σε τριβές και δημιουργεί το ηχητικό κύμα. ΗΧΗΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Ι ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ ΘΕΩΡΙΑΣ 15

16 Ένα μέρος της ενέργειας λοιπόν μετατρέπεται σε ακουστική ενέργεια, δηλ. ενέργεια που μεταφέρεται μέσω του ηχητικού κύματος σε όλο τον χώρο γύρω από την πηγή. Ακουστική ισχύς είναι η ακουστική ενέργεια που μεταφέρεται σε ένα δευτερόλεπτο (μετριέται σε watt).η ένταση (intensity) του ήχου (σε κάποιο σημείο του χώρου) είναι η ακουστική ισχύς που διαπερνά μια επιφάνεια ενός τετραγωνικού μέτρου κάθετη στην κατεύθυνση διάδοσης (μετριέται σε watt/m 2 ).Το ηχητικό κύμα ερεθισμός που φτάνει στο αυτί και προκαλεί την αίσθηση της ακοής επιφέρει μια μη γραμμική σχέση μεταξύ της πραγματικής έντασης του ήχου και της αντιλαμβανόμενης από την ανθρώπινη ακοή ένταση. Αυτή η υποκειμενική ένταση είναι η ακουστότητα (loudness). Το ανθρώπινο αυτί αντιλαμβάνεται και την ένταση λογαριθμικά. Για παράδειγμα εάν έχουμε ένα όργανο που παράγει ήχο έντασης έστω 10, τότε αν θέλουμε να διπλασιάσουμε την ένταση που ακούμε, πρέπει να το κάνουμε να παράγει δεκαπλάσια ένταση, δηλαδή 100. Στο σχήμα 10 γίνεται φανερή η σχέση ακουστότητας και έντασης. 3.5 Φάσμα συχνοτήτων (frequency spectrum) Χροιά (timbre) Στην 3.6 θα αναφερθούμε στο ότι ο σύνθετος ήχος αποτελείται από τη θεμελιώδη συχνότητα και τις μερικές (ή παράγωγες) συχνότητες. Ο συνολικός αριθμός συχνοτήτων, η ένταση της κάθε μίας, η κατανομή στο ακουστικό φάσμα και οι συσχετισμοί των φάσεων τους καθορίζουν το σχήμα της κυματομορφής του και αποτελούν το φάσμα συχνοτήτων του ήχου. Στους σύνθετος τόνους των μουσικών οργάνων οι παράγωγες συχνότητες είναι κυρίως ακέραια πολλαπλάσια (1,2,3,4, ) της θεμελιώδους και ονομάζονται αρμονικοί (harmonics). Για να κατανοήσουμε περισσότερο την έννοια των αρμονικών ενός ήχου, αλλά και την σχέση της οκτάβας με τους αρμονικούς του, θα αναλύσουμε τον ήχο και ως προς τις δύο αυτές παραμέτρους. Έτσι αν έχουμε τον ήχο μιας νότας ΛΑ5 που είναι 440 Hz θα έχουμε: θεμελιώδης συχνότητα (1 ος αρμονικός) = ος αρμονικός = 880 (440 2) 3 ος αρμονικός = 1320 (440 3) 4 ος αρμονικός = 1760 (440 4) 5 ος αρμονικός = 2200 (440 5) 6 ος αρμονικός = 2640 (440 6) 7 ος αρμονικός = 3080 (440 7) 8 ος αρμονικός = 3520 (440 8) Σχήμα 11: Διάγραμμα καμπύλων ίσης ακουστότητα του ανθρώπινου αυτιού. Τις καμπύλες του σχήματος 10 τις συνέταξαν πρώτοι οι Fletcher και Munson (1933) και βελτιώθηκαν αργότερα από τους Robinson και Dodson. Η ακουστότητα ενός ήχου είναι το μέγεθος της ακουστικής αντίληψης που παράγει ο ήχος στον ακροατή. Διακρίνουμε δηλ. αν ο ήχος είναι ισχυρός ή ασθενής βάσει αυτού του μεγέθους. Είναι όπως είπαμε στην 3.1 η υποκειμενική αντίληψη της έντασης. Η μονάδα ακουστότητας είναι το phon. Στην συχνότητα αναφοράς των 1000 Hz η στάθμη ακουστότητας είναι ίση με την στάθμη ακουστικής πίεσης. Οι διαφορές μεταξύ αυτών των μεγεθών (δηλ. ακουστότητας και έντασης) φαίνονται από το παραπάνω σχήμα Παρατηρείστε πως η ακουστότητα εξαρτάται από την συχνότητα. Το αυτί δεν είναι το ίδιο ευαίσθητο σε όλες τις συχνότητες. Κάτω από τα 1000 Hz και πάνω από τα 6000 Hz η ευαισθησία του μειώνεται, ενώ μεταξύ 3000 και 4000 Hz έχει την μεγαλύτερη ευαισθησία. όπου όλες οι παραπάνω τιμές είναι σε Hz. ΗΧΗΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Ι ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ ΘΕΩΡΙΑΣ 16

17 Από τα παραπάνω βλέπουμε ότι ο 2 ος αρμονικός συμπίπτει με την πρώτη οκτάβα, ο 4 ος με την δεύτερη οκτάβα κι ο 8 ος με την τρίτη οκτάβα, έχουν δηλαδή η σχέση οκτάβας με τον αρχικό τόνο. Κάθε αρμονικός αναπαρίσταται με μια κατακόρυφη γραμμή το μήκος της οποίας δείχνει την ένταση της. Το φάσμα συχνοτήτων είναι εκείνο το χαρακτηριστικό που κάνει δύο ήχους ίδιας θεμελιώδους συχνότητας (ύψους) και έντασης (ακουστότητας) να διαφέρουν. Π.χ. η νότα ΛΑ του πιάνου που αντιστοιχεί στη συχνότητα των 440 Ηz και η ίδιας έντασης και συχνότητας νότα ΛΑ της κιθάρας, διαφέρουν ποιοτικά, επειδή το φάσμα συχνοτήτων του ήχου του πιάνου είναι διαφορετικό από το φάσμα της κιθάρας. Οι σύνθετοι ήχοι των μουσικών οργάνων διαφέρουν επειδή έχουν διαφορετικά φάσματα. Από επιστημονικής πλευράς το φάσμα συχνοτήτων ενός ήχου μπορεί να προσδιοριστεί με μεγάλη ακρίβεια και να εκφραστεί με μαθηματικούς όρους που συνδέουν τη θεμελιώδη συχνότητα με τις παράγωγες από τις οποίες και συναποτελείται. Η θεμελιώδης είναι η χαμηλότερη συχνότητα στο φάσμα ενός σύνθετου ήχου και το βασικό χαρακτηριστικό που καθορίζει το ύψος του ήχου. Έχει συνήθως τη μεγαλύτερη ένταση από όλες τις συχνότητες. Υπάρχουν όμως και μουσικά όργανα στα οποία η θεμελιώδης είναι ασθενέστερη από κάποιες παράγωγες συχνότητες. Από τις τρεις υποκειμενικές παραμέτρους του ήχου η χροιά είναι χωρίς αμφιβολία η πιο ενδιαφέρουσα. Είναι αυτό το στοιχείο που δίνει σε ένα τόνο το χρώμα του. Στην πράξη όμως φαίνεται στο σχήμα 11, η ίδια νότα (ύψος) που παίζεται με την ίδια ένταση από ένα διαπασών (πάνω), ένα alto σαξόφωνο και ένα tenor σαξόφωνο θα έχει διαφορετική κυματομορφή κατά περίπτωση και βέβαια δεν θα προκαλέσει την ίδια αίσθηση. Για να προχωρήσουμε όμως λίγο παραπάνω θα πρέπει να αναφερθούμε στον νομό του Fourier. 3.6 Νόμος του Fourier Στα 1822 ο Josef Fourier ανακάλυψε ένα νόμο που έφερε επανάσταση στην επεξεργασία των σημάτων. Ο νόμος αυτός είναι γενικός και εφαρμόζεται σε όλα τα περιοδικά σήματα. Η διατύπωση του είναι: Όλες οι συνθέτες περιοδικές συναρτήσεις (ταλαντώσεις) μπορούν να αναλυθούν σε μια σειρά από απλές περιοδικές (ημιτονοειδείς) συναρτήσεις, που ονομάζονται αρμονικές και των οποίων η συχνότητα είναι ακέραιο πολλαπλάσιο της χαμηλότερης ή θεμελιώδους συχνότητας. Σχήμα 12: Η νότα 440 Hz από ένα διαπασών, ένα alto σαξόφωνο και ένα tenor σαξόφωνο. Αλλά τι είναι οι αρμονικοί; Στον σύνθετο ήχο πού αποτελείται από πολλές συχνότητες, διακρίνεται και επικρατεί μια μόνο που συνήθως είναι μεγαλύτερης έντασης από τις άλλες. Αυτή είναι η θεμελιώδης συχνότητα (fundamental) και από αυτήν το ΗΧΗΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Ι ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ ΘΕΩΡΙΑΣ 17

18 αυτί προσδιορίζει το τονικό ύψος του ήχου. Οι υπόλοιπες συχνότητες ονομάζονται μερικές ή παράγωγες (partials ή overtones). Στο σχήμα 13, βλέπουμε πάνω την κυματομορφή ενός audio σήματος σαν συνάρτηση στον χρόνο όπως αυτή καθορίζεται από το αρμονικό του περιεχόμενο και κάτω τα πλάτη του κάθε αρμονικού σαν συνάρτηση της συχνότητας όπως αυτά καθορίζονται από την ανάλυση Fourier. Ο μετασχηματισμός Fourier είναι το εργαλείο για να μεταβούμε από την ανάλυση στο πεδίο του χρόνου σε ανάλυση στο πεδίο των συχνοτήτων και έτσι το αρμονικό περιεχόμενο να γίνει πιο φανερό. 3.7 Εύρος συχνοτήτων της ανθρώπινης φωνής και των μουσικών οργάνων Σε αντίθεση με την μεγάλου εύρους απόκριση συχνότητας της ανθρώπινης ακοής η ανθρώπινη φωνή εκτείνεται σε ένα σχετικά στενό εύρος. Όταν πρόκειται για παραγωγή συχνοτήτων, όπως π.χ. για την ανθρώπινη φωνή ή για μια γεννήτρια συχνοτήτων ή για ένα όργανο, τότε χρησιμοποιούμε τον όρο εύρος ζώνης συχνοτήτων (bandwidth) και όχι συχνοτική απόκριση. Το εύρος λοιπόν της ανθρώπινης φωνής είναι από 80 Hz έως 6 khz. Μέσα σε αυτό το εύρος η μεγαλύτερη ισχύς καταναλώνεται σε συχνότητες κάτω από το 1 khz, ενώ το 80% περίπου της ισχύος καταναλώνεται σε συχνότητες γύρω από τα 500 Hz. Σαν ένα γενικό κανόνα μπορούμε να πούμε ότι το εύρος ζώνης των συχνοτήτων ενός συστήματος αναπαραγωγής ομιλίας πρέπει να εκτείνεται από 300 Hz έως 3.5 khz. Αυτή είναι και η απόκριση συχνοτήτων ενός τοπικού τηλεφωνικού δέκτη και άλλων αντίστοιχων συσκευών επικοινωνίας και μετάδοσης ανθρώπινης φωνής. Το φάσμα των συχνοτήτων της φωνής αλλά και των διαφόρων μουσικών οργάνων απεικονίζεται στο διάγραμμα του σχήματος 14. Το ακουστικό φάσμα των μουσικών οργάνων διακρίνεται στις ακόλουθες περιοχές συχνοτήτων προκειμένου να είναι πιο εύκολο στον ακροατή να αντιληφθεί και να διαχωρίσει τις συχνότητες αυτές. Χαμηλά μπάσα: Εκτείνονται μέχρι τα 80 Hz και παράγονται από τις πολύ χαμηλές νότες ορισμένων μόνων οργάνων. Σχήμα 13: Από την ανάλυση στο πεδίο του χρόνου στην ανάλυση στο πεδίο των συχνοτήτων με τον μετασχηματισμό Fourier. Τραγούδι και μουσικά όργανα Τα μουσικά σήματα, τα σήματα που προκύπτουν δηλαδή από την μετατροπή σε ηλεκτρικό σήμα της μουσικής και του τραγουδιού είναι πολύ πιο δύσκολο να τα χαρακτηρίσουμε από αυτά της ομιλίας. Το εύρος συχνοτήτων και η κατανομή της ισχύος στις διάφορες συχνότητες εξαρτάται από πολλούς παράγοντες όπως π.χ. το είδος των οργάνων, το είδος της μουσικής, το είδος και τον αριθμό των φωνών κ.λ.π. Κάποια είδη μουσικής εξαρτούν το μεγαλύτερο κομμάτι τους μεταξύ των 20 και 100 Hz ενώ αντίθετα σε κάποια άλλα μπορεί να απαιτείται αυτή η περιοχή να εξαφανιστεί τελείως. Το σχήμα 17 που ακολουθεί παρακάτω είναι πάρα πολύ χρήσιμο γιατί βλέπουμε αναλυτικά το εύρος που καταλαμβάνει το κάθε μουσικό όργανο καθώς και η φωνή ενός (εξασκημένου) τραγουδιστή στο ακουστικό φάσμα. Στο κάτω μέρος υπάρχουν οι νότες αναλυτικά και μια όχι πολύ αναλυτικά βαθμονομημένη κλίμακα συχνότητας. Για να δείτε ακριβώς αν επιθυμείτε τις συχνότητες που αντιστοιχούν στις νότες αυτές συμβουλευτείτε το σχήμα 8. Υψηλά μπάσα: Εκτείνονται μεταξύ 80 και 250 Hz και παράγονται από τις χαμηλές νότες όλων των οργάνων. ΗΧΗΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Ι ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ ΘΕΩΡΙΑΣ 18

19 Χαμηλές μεσαίες: Από 250 έως 500 Hz. Μεσαίες: Από 500 έως 2000 Hz. Υψηλές μεσαίες: Από 2000 έως 5000 Hz. Είναι η περιοχή συχνοτήτων στην οποία το ανθρώπινο αυτί παρουσιάζει την μεγαλύτερη ευαισθησία. Υψηλές: Από 5000 έως Hz. Πολύ υψηλές: Από έως Hz. Δεν γίνονται αντιληπτές από άτομα μεγάλης ηλικίας λόγω μειώσεως της ακοής τους. 3.8 Φάσμα των μουσικών οργάνων Τα κάθε μουσικό όργανο παρουσιάζει ένα φάσμα συχνοτήτων το οποίο κατά κάποιο τρόπο και αποτελεί την ταυτότητα του. Ειδικότερα σ' ότι αφορά το φάσμα των συχνοτήτων των κυρίων μουσικών οργάνων ισχύουν τα εξής: Πιάνο: Το φάσμα του καλύπτει το διάστημα συχνοτήτων από 27 Hz έως περίπου τα 9 khz. Ο ήχος τον οποίο παράγει το πιάνο είναι πολυσύνθετος και το φάσμα του πολύπλοκο. Τούτο οφείλεται στην κατασκευή του οργάνου η οποία συνίσταται από ηχείο, χορδές και σφύρες. Οι επικρατούσες ατμοσφαιρικές συνθήκες αλλά και η ηλικία του οργάνου διαφοροποιούν το φάσμα των συχνοτήτων του. Η ηχητική του στάθμη λαμβάνει τη μέγιστη τιμή των περίπου 50 dβ στο διάστημα Hz. Παράγει τις νότες από το ΛΑ των 27 Hz έως το ΝΤΟ των 4186 Hz. Κοντραμπάσο: Καλύπτει το διάστημα συχνοτήτων από 41 Hz έως περίπου 6 khz και το περιεχόμενο του είναι πλουσιότερο στις χαμηλές παρά στις υψηλές συχνότητες. Η ηχητική του στάθμη λαμβάνει τη μέγιστη τιμή των περίπου 50 dβ στο διάστημα Hz. Παράγει τις νότες από το ΜΙ των 41.2 Hz έως το ΡΕ των Hz. Σχήμα 14: Εύρος ζώνης συχνοτήτων μουσικών οργάνων και ανθρώπινης φωνής. Βιολί: Καλύπτει το διάστημα συχνοτήτων από 196 Hz έως περίπου 18 khz. Όπως και στο πιάνο έτσι και στο βιολί το φάσμα του είναι πολύπλοκο λόγω του συνδυασμού των αρμονικών των χορδών του σε συνδυασμό με το συντονισμό του σώματος του το οποίο λειτουργεί ως ηχείο. Παράγει τις νότες από το ΣΟΛ των 196 Hz έως το ΝΤΟ των 2093 Hz. Φλάουτο: Καλύπτει το διάστημα συχνοτήτων από ΗΧΗΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Ι ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ ΘΕΩΡΙΑΣ 19

20 260 Hz έως περίπου 13 khz και κύριο χαρακτηριστικό του είναι η σχετικά χαμηλή τιμή των 30 dβ της μέγιστης ηχητικής του στάθμης την οποία λαμβάνει στο διάστημα Hz. Παράγει τις νότες από το ΝΤΟ των Hz έως το ΝΤΟ των 2093 Hz. Τρομπέτα: Καλύπτει το διάστημα συχνοτήτων από 164 Hz έως 11 khz.. Η ηχητική της στάθμη λαμβάνει τη μέγιστη τιμή των περίπου 45 dβ στο διάστημα Hz. Παράγει τις νότες από το ΜΙ των 164 Hz έως το bσι των 982 Hz. Κλαρινέτο (σοπράνο, άλτο, μπάσο): Καλύπτει το διάστημα συχνοτήτων από 73 Hz έως 14 khz. Η ηχητική του στάθμη είναι περίπου 35 dβ στο διάστημα Hz. Παράγει τις νότες από το ΡΕ των 73 Hz έως το ΣΟΛ των 1568 Hz (συνολικά για τους 3 τύπους). Σαξόφωνο (σοπράνο, άλτο, τενόρο, βαρύτονο, μπάσο): Καλύπτει το διάστημα συχνοτήτων από 51 Hz έως περίπου 15 khz.. Ο ήχος του σαξοφώνου λόγω των υλικών κατασκευής του (μέταλλο) είναι πλουσιότερος σε αρμονικές από τον ήχο του κλαρινέτου (που είναι από ξύλο ή πλαστικό). Η ηχητική του στάθμη λαμβάνει τη μέγιστη τιμή των περίπου 45 dβ στο διάστημα Hz. Παράγει τις νότες από το bλα των 51 Hz έως το bμι των 1244 Hz (συνολικά για τους 5 τύπους). 7. Να προσδιορισθεί η κεντρική συχνότητα μιας οκτάβας με ακραίες συχνότητες 500 και 1000 Hz. 8. Να προσδιορισθούν οι ακραίες συχνότητες του διαστήματος μιας οκτάβας της οποίας η κεντρική συχνότητα είναι f o = 250 Hz. 9. Όταν απαιτείται λεπτομερέστερη απεικόνιση του ακουστικού φάσματος αντί της οκτάβας χρησιμοποιείται η τριτοκτάβα (δες 4.3) η οποία αποτελεί ζώνη συχνοτήτων ζώνη μεταξύ δυο ακραίων συχνοτήτων f 1 και f 2 που όμως ικανοποιούν την σχέση: 1 3 = f f 2 1 Να προσδιορισθούν οι ακραίες συχνότητες του διαστήματος μιας τριτοκτάβας της οποίας η κεντρική συχνότητα είναι f o = 125 Hz. 3.9 Ερωτήσεις 1. Ποιες είναι οι παράμετροι που χαρακτηρίζουν έναν ήχο; 2. Ποιο είναι το εύρος συχνοτήτων που ακούει ο άνθρωπος; Πως ονομάζονται οι χαμηλότερες και οι υψηλότερες συχνότητες από αυτό; 3. Ποιο είναι το εύρος της ανθρώπινης φωνής; 4. Ποιο είναι το εύρος συχνοτήτων του βιολιού και ποιο της κιθάρας; 5. Αν μια νότα ΛΑ έχει συχνότητα 440 Hz, ποια θα είναι η συχνότητα της αμέσως επόμενης νότας RE; 6. Να βρεθούν οι συχνότητες των φθόγγων (στην συγκερασμένη χρωματική μουσική κλίμακα) από το C 3 έως το C 4 όταν είναι γνωστή η συχνότητα του φθόγγου Α 4. ΗΧΗΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Ι ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ ΘΕΩΡΙΑΣ 20

21 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4. ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΗΧΟΥ ΚΑΙ ΑΠΟΚΡΙΣΗ ΣΥΧΝΟΤΗΤΑΣ 4.1 Έννοια και σκοπός ενός συστήματος ήχου Ο σκοπός του κεφαλαίου αυτού είναι να κατανοήσουμε την έννοια και τον τρόπο λειτουργίας ενός συστήματος ήχου. Ένα σύστημα ήχου είναι γενικά μια λειτουργική διάταξη ηλεκτρονικών εξαρτημάτων τα οποία είναι έτσι σχεδιασμένα ώστε να ενισχύουν τον ήχο. Αυτό μπορεί να γίνεται για: 1. Να βοηθήσει τους ακροατές να ακούν καλύτερα. Η ομιλία για παράδειγμα ενός ανθρώπου σε ένα μεγάλο χώρο δεν θα μπορούσε να είναι ακουστή χωρίς ένα τέτοιο κατάλληλο σύστημα. 2. Να κάνει τον ήχο πιο εντυπωσιακό για καλλιτεχνικούς λόγους. Για παράδειγμα ένα μουσικό συγκρότημα σε ένα μικρό club θα μπορούσε να ακουστεί, ο ήχος όμως δεν θα ήταν το ίδιο εντυπωσιακός χωρίς το κατάλληλο ηχητικό σύστημα. 3. Να κάνει δυνατή την κατανομή του ήχου σε διαφορετικούς χώρους ή το άκουσμα διαφορετικών ήχων στον ίδιο χώρο. Όπως για παράδειγμα σε μια διάλεξη όπου μεταφράζεται η ομιλία σε διαφορετικές γλώσσες και μεταφέρεται στους ακροατές με ακουστικά. Υπάρχουν επίσης συστήματα ήχου που σχεδιάζονται για να αναπαραγάγουν καταγραμμένο ήχο ή να τον μεταδώσουν ραδιοφωνικά. Σε αυτήν την περίπτωση οι γενικές απαιτήσεις μπορούν να είναι παρόμοιες με το σύστημα ενίσχυσης ζωντανού ήχου εκτός από το ότι μαγνητόφωνο, το cd player, το πικαπ ή ο ραδιοδέκτης θα αντικαταστήσουν τα μικρόφωνα ή τα ηλεκτρονικά μουσικά όργανα. Σχήμα 15: Το σύστημα ήχου. ΗΧΗΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Ι ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ ΘΕΩΡΙΑΣ 21

22 Τα συστήματα ήχου ενισχύουν τον ήχο μετατρέποντας τον σε ηλεκτρική ενέργεια, αυξάνοντας της ισχύ της ηλεκτρικής ενέργειας με ηλεκτρονικά μέσα, και τελικά μετατρέποντας την ισχυρότερη πλέον ηλεκτρική ενέργεια ξανά σε ήχο. Στην ηλεκτροακουστική οι συσκευές που μετατρέπουν την ενέργεια από την μια μορφή στην άλλη καλούνται μετατροπείς (transducers). Οι συσκευές που αλλάζουν τα χαρακτηριστικά ενός ακουστικού σήματος καλούνται επεξεργαστές σήματος (signal processors).χρησιμοποιώντας λοιπόν αυτούς τους όρους, μπορούμε να ορίσουμε το σύστημα ήχου στην συνοπτική μορφή του στο σχήμα 15. Ο μετατροπέας εισόδου (δηλ. το μικρόφωνο ή το pickup) μετατρέπει τον ήχο σε ένα κυμαινόμενη ηλεκτρικό ρεύμα που είναι μια ακριβής αναπαράσταση του ήχου. Το κυμαινόμενο αυτό ρεύμα (ή τάση) αναφέρεται ως ακουστικό (audio) σήμα. Σχήμα 16: Ένα απλό σύστημα ήχου. Ο επεξεργαστής σήματος αλλάζει ένα ή περισσότερα χαρακτηριστικά του ακουστικού σήματος. Στην απλούστερη περίπτωση, απλώς αυξάνει τη ισχύ του σήματος (ένας επεξεργαστής σήματος που κάνει κάτι τέτοιο καλείται ενισχυτής). Στην πραγματικότητα, οι επεξεργαστές σήματος σε ένα σύστημα ήχου αντιπροσωπεύονται από ένα πλήθος συσκευών (προενισχυτές, μίκτες, διάφορες μονάδες effect, ενισχυτές ισχύος κ.λ.π.). Ο μετατροπέας εξόδου (δηλ. το μεγάφωνο ή τα ακουστικά) μετατρέπει το ενισχυμένο και επεξεργασμένο ακουστικό σήμα ξανά σε ήχο. Για τους μετατροπείς και τους επεξεργαστές σήματος θα μιλήσουμε αναλυτικά σε επόμενα κεφάλαια. 4.2 Συχνοτική απόκριση (frequency response) Για κάθε σύστημα ήχου αλλά και για κάθε βαθμίδα ξεχωριστά μέσω της οποίας διέρχεται ένα ακουστικό σήμα, είναι σημαντικό να γνωρίζουμε την απόκριση στο φάσμα των συχνοτήτων. Αυτή την πληροφορία μας δίνει η συχνοτική απόκριση. Η συχνοτική απόκριση μιας διάταξης περιγράφει την σχέση μεταξύ της εισόδου και της εξόδου σε σχέση με το πλάτος και την συχνότητα Με άλλα λόγια η συχνοτική απόκριση μας δείχνει το εύρος των συχνοτήτων που επιτρέπει ένα σύστημα η μια επιμέρους βαθμίδα να περάσει μέσα από αυτήν αλλά και την συμπεριφορά στην κάθε συχνότητα. Στο σχήμα 16 έχουμε μια συσκευή αγνώστου λειτουργίας (το Σχήμα 17: Η διάταξη για την μέτρηση της συχνοτικής απόκρισης. ΗΧΗΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Ι ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ ΘΕΩΡΙΑΣ 22

23 λεγόμενο black box) η οποία έχει μια είσοδο και μια έξοδο. Στην είσοδο συνδέουμε μια γεννήτρια είναι ημιτονικού σήματος ενώ στην έξοδο έναν μετρητή έντασης σε db. Θεωρούμε ότι η γεννήτρια παράγει την ίδια ένταση σήματος σε όλο το εύρος συχνοτήτων. Αν σαρώσουμε το ακουστικό φάσμα θα δούμε ότι η ένδειξη στο όργανο μέτρησης στην έξοδο μεταβάλλεται. Σχεδιάζοντας το διάγραμμα της έντασης στην έξοδο σε db και του ακουστικού φάσματος θα μπορούσε να έχει τη μορφή που φαίνεται στο σχήμα 18. Το διάγραμμα αυτό ονομάζεται διάγραμμα συχνοτικής απόκρισης, προκύπτει πάντα με πειραματικό τρόπο και επομένως είναι μια σημαντική ένδειξη για την ποιότητα της μεταφοράς του σήματος μέσα από την διάταξη που περιγράφει. Όσο πιο λίγες είναι οι αυξομειώσεις του διαγράμματος τόσο πιο αξιόπιστη αναπαράσταση του σήματος εισόδου θα είναι το σήμα στην έξοδο του συστήματος. Η πιο απλή μορφή με την οποία μπορούμε να περιγράψουμε την απόκριση συχνότητας είναι όχι με διάγραμμα αλλά αναφέρονται το εύρος συχνοτήτων και το εύρος διακύμανσης. Για παράδειγμα έχουμε: Σχήμα 18: Διάγραμμα συχνοτικής απόκρισης συσκευής Frequency response: 30 Hz to 18 khz, ±3 db. Αυτό σημαίνει ότι η διάταξη για την οποία μιλάμε μεταξύ των συχνοτήτων 30 Hz και 18 khz έχει διακύμανση 3 db πάνω η κάτω από μια μέση τιμή. Προφανώς η συχνοτική απόκριση δεν έχει νόημα σαν προδιαγραφή αν δεν ξέρουμε την διακύμανση, γιατί τότε πρέπει να μαντέψουμε τον τρόπο που η διάταξη επιδρά στο σήμα μέσα στο δεδομένο συχνοτικό εύρος. Ο τρόπος που περιγράφεται η συχνοτική απόκριση παραπάνω δεν είναι ωστόσο αρκετά περιγραφικός γιατί και πάλι μας αφήνει να μαντέψουμε τις διακυμάνσεις της συχνοτικής απόκρισης μέσα στο όριο των ±3 db. Στο σχήμα 19 βλέπουμε τι μπορεί να σημαίνει η απόκριση 30 Hz to 18 khz, ±3 db. Σχήμα 19: Διάγραμμα συχνοτικής απόκρισης συσκευής 30 Hz to 18 khz, ±3 db. 4.3 Συχνοτική απόκριση με σχέσεις οκτάβας Μερικές φορές η απόκριση συχνότητας δίνεται σε διάστημα μιας οκτάβας ή 1/3 της οκτάβας. Όπως έχουμε αναφέρει οκτάβα θεωρούμε ένα διάστημα στο οποίο συμβαίνει ένας διπλασιασμός συχνότητας. Τέτοιου είδους μετρήσεις και στοιχεία είναι βέβαια πολύ χαμηλότερης ανάλυσης από αυτές που περιγράψαμε προηγουμένως. Χρησιμοποιούνται πολύ στα μεγάφωνα γιατί παρέχουν καλό συσχετισμό με την ανθρώπινη ακοή, αλλά και γιατί ταιριάζουν με τα equalizer και τα φίλτρα 1/3 της οκτάβας. Συνήθως οι συχνότητες που χρησιμοποιούνται σε μια τέτοιου είδους ανάλυση είναι συγκεκριμένες και ακολουθούν τις Σχήμα 20: Συχνοτική απόκριση μετρημένη σε 1/3 οκτάβας. ΗΧΗΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Ι ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ ΘΕΩΡΙΑΣ 23

24 προδιαγραφές ISO (International Standards Organization). Όταν λοιπόν έχει κανείς ένα equalizer με ISO Standards 1/3 της οκτάβας τότε μπορεί να αξιοποιήσει τις προδιαγραφές ρυθμίζοντας το ανάλογα. Στο σχήμα 20 βλέπουμε μια απόκριση συχνότητας με ανάλυση 1/3 της οκτάβας και με τις ISO Standards συχνότητες. Αυτό που είναι σίγουρο είναι ότι στις περισσότερες διατάξεις και συστήματα ήχου προσπαθούμε να έχουμε όσο το δυνατό γραμμική απόκριση στο εύρος των ακουστικών συχνοτήτων (flat or linear response). 4.4 Ερωτήσεις 1. Τι ονομάζουμε ηχητικό σύστημα; Περιγράψτε το με την βοήθεια ενός διαγράμματος. 2. Δώστε έναν ορισμό της συχνοτικής απόκρισης. 3. Περιγράψετε την διαδικασία και την συνδεσμολογία που απαιτούνται για την μέτρηση της καμπύλης απόκρισης μιας συσκευής. 4. Με πόσους τρόπους μπορούμε να δώσουμε στοιχεία για την συχνοτική απόκριση μιας συσκευής, ποιος είναι ο πιο αναλυτικός και γιατί; 5. Πότε χρησιμοποιούμε τον όρο εύρος και πότε τον όρο απόκριση συχνότητας; ΗΧΗΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Ι ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ ΘΕΩΡΙΑΣ 24

25 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5. ΤΟ DECIBEL 5.1 Μαθηματικός ορισμός του db H μονάδα bel ορίσθηκε καταρχήν για ηλεκτρικές ισχείς ως: P2 Α(bel) = log P1 όπου P 1 είναι η ισχύς αναφοράς. H μονάδα decibel ορίσθηκε ως το δέκατο του bel, δηλαδή: Α(db) = 10 log Εφόσον είναι λόγος δυο ομοειδών ποσοτήτων δεν εκφράζει την τιμή ενός συγκεκριμένου μεγέθους, αλλά είναι μια αδιάστατη ποσότητα. Η σχέση αυτή ισχύει εξ ίσου για ακουστική ισχύ, για ηλεκτρική ισχύ ή για οποιοδήποτε άλλο είδος ισχύος. Όμως όταν χρειάζεται να εκφρασθούν σε db κι άλλες στάθμες εκτός της ισχύος, όπως για παράδειγμα η στάθμη ηλεκτρικών τάσεων, τότε αφού η ηλεκτρική ισχύς είναι ανάλογη με το τετράγωνο της τάσης η στάθμη τάσεων θα είναι L = 20 log Η σχέση λοιπόν που εκφράζει στάθμες ισχύων δεν είναι ίδια με την σχέση που εκφράζει στάθμες τάσεων. Το ποια είναι η σχέση για το κάθε μέγεθος φαίνεται στον πίνακα 3. Για να γίνει πιο κατανοητό αυτό, ας υπολογίσουμε το λόγο σε db των 2 watt ως προς το 1 watt. Θα είναι: db = 10 log 2 watt U U P2 P 1 watt Άρα ο λόγος των δυο ισχύων είναι 3 db = 10 log2 = Φυσικό Μέγεθος Ακουστική Ισχύς Ένταση Πίεση Ταχύτητα σωματιδίων αέρα Ηλεκτρισμός Ισχύς Ρεύμα Τάση 10 log x x x a a log x x x x Πίνακας 3: Χρήση των μορφών 10 log και 20 log ανάλογα με το φυσικό μέγεθος. a a Για την εύρεση της σχέσης (6) από την σχέση (5) πάρετε υπόψη ότι η ισχύς αναφέρεται πάντα σε κάποιο φορτίο R και ισχύει ότι P = log α 2 = 2 logα. U 2 R 2 1 και το ότι Ένα δεύτερο παράδειγμα για τον υπολογισμό του λόγου των 100 watt ως προς τα 10 watt. Είναι: 100 watt db = 10 log = watt Άρα ο λόγος των δυο ισχύων είναι 10 db. Από τα παραπάνω παραδείγματα βγάζουμε δύο συμπεράσματα για την χρήση των db στις ισχείς. Όταν διπλασιάζεται η ισχύς έχουμε αύξηση 3 db (και άρα όταν υποδιπλασιάζεται μείωση 3 db) και όταν η ισχύς δεκαπλασιάζεται η αύξηση είναι 10 db (και όταν υποδεκαπλασιάζεται μείωση 10 db). Η μονάδα Decibel (db) που χρησιμοποιείται ευρύτατα στην Ακουστική είναι δανεισμένη από την Ηλεκτρική Μηχανολογία και ονομάστηκε έτσι προς τιμήν του γνωστού εφευρέτη Γκράχαμ Μπελ, γι αυτό και το κεφαλαίο Β στο db. Ο Αλεξάντερ Γκράχαμ Μπελ (Alexander Graham Bell, ) ήταν Αμερικανός φυσικός με εξειδίκευση στην ακουστική και έμεινε γνωστός στην ιστορία σαν ο εφευρέτης του τηλεφώνου. ΗΧΗΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Ι ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ ΘΕΩΡΙΑΣ 25

26 Αντίστοιχα όταν διπλασιαστεί η τάση έχουμε αύξηση 6 db (και όταν υποδιπλασιάζεται μείωση 6 db) ενώ όταν δεκαπλασιαστεί η τάση έχουμε αύξηση 20 db (και όταν υποδεκαπλασιάζεται μείωση 20 db). Ο πίνακας 4 μας δείχνει πως μεταβάλλονται οι τιμές των db για σχετικά μεγάλους λόγους ισχύων ενώ ο πίνακας 5 για μικρούς. 5.2 Γιατί βοηθάει η χρήση του db Το db είναι η μονάδα που κατά κύριο λόγο χρησιμοποιείται για να εκφράσει τις διάφορες αριθμητικές σχέσεις μεταξύ μεγεθών που σχετίζονται με τον ήχο. Το db είναι λογαριθμική μονάδα (η αριθμητική του διαβάθμιση δηλώνει λογαριθμική διαβάθμιση) και ονομάζεται γενικά στάθμη (level). Οι λόγοι που εισήχθη σε χρήση το db είναι δυο: Το εύρος των τιμών των μεγεθών στην ακουστική και στην ηλεκτροακουστική είναι μεγάλο. Με την χρήση λοιπόν μιας λογαριθμικής μονάδας μικρότεροι αριθμοί μπορούν να χρησιμοποιούνται για να περιγράφουν τιμές που με άλλες συνθήκες θα χρειάζονταν αριθμούς με πολύ περισσότερα ψηφία. Ο δεύτερος λόγος είναι ψυχοφυσικός και έχει να κάνει με την αντίληψη του ήχου από τον άνθρωπο. Κατά τον νόμο των Weber- Fechner ισχύει ότι: R = k log S όπου R η αλλαγή της υποκειμενικής αντίληψης, S η σχετική μεταβολή του ερεθίσματος που την προκαλεί και k μια σταθερά. Βλέπουμε δηλ. ότι η υποκειμενική αντίληψη είναι ανάλογη με τον λογάριθμο του ερεθίσματος. 5.3 Σχετικές και απόλυτες στάθμες Το κλειδί στην κατανόηση της έννοιας του db είναι ότι δεν έχει απόλυτη τιμή. Άρα πρέπει να χρησιμοποιείται μια standard τιμή αναφοράς για 0 db ώστε κάθε τιμή σε db πάνω η κάτω από αυτή την τιμή να μπορεί να εκφράσει μια συγκεκριμένη ποσότητα ενός μεγέθους. Αυτό γίνεται πιο σαφές με τα παρακάτω παραδείγματα: Η μέγιστη τιμή στάθμης εξόδου της κονσόλας είναι +20 db. Αυτή η πρόταση δεν έχει κανένα νόημα γιατί δεν ορίζεται η μηδενική αναφορά για το db. Είναι το ίδιο ασαφές σαν να λέμε σε κάποιον μπορώ να κάνω 20 sec χωρίς να εξηγήσει Όπως μπορείτε να δείτε στο ακόλουθο παράδειγμα, η χρησιμοποίηση μιας δεκαπλάσιας τάσης παράγει μια ισχύ που είναι εκατό φορές μεγαλύτερη. Πράγματι ας θεωρήσουμε δυο τάσεις 10 και 100 volt σε ένα φορτίο 8 ohm.τότε παράγονται δυο ισχείς 12.5 και 1250 watt αντίστοιχα. Παίρνοντας την στάθμη των δύο αυτών παραγόμενων ισχύων βρίσκουμε 20 db. Ενώ λοιπόν 100 volt είναι δέκα φορές τα 10 volt, όταν αναφερθούμε στις τιμές των ισχύων (από τις οποίες και προέρχεται το db), βρίσκουμε μια στάθμη ισχύος 20 db. Γι αυτό οι τάσεις έχουν διπλασιασμένο τον πολλαπλασιαστή πριν από το log στην σχέση που μας δίνει τα db. Ισχύς / Watt Στάθμη σε db ως προς 1 Watt , , , , , , , , , Πίνακας 4: db μεγάλων λόγων ισχύων. Ισχύς / Watt Στάθμη σε db ως προς 1 Watt Πίνακας 5: db μικρών λόγων ισχύων. ΗΧΗΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Ι ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ ΘΕΩΡΙΑΣ 26

27 τίποτα παραπάνω. Η μέγιστη τιμή εξόδου της κονσόλας είναι +20 db πάνω από το 1 mw. Εδώ όταν έχουμε 0 db σημαίνει ότι η ισχύς είναι 1 mw. Θα είναι: 20 db = 10 log P 1 mw, οπότε P = 100 mw. Η παραπάνω έκφραση δείχνει λοιπόν ότι η κονσόλα μπορεί να δώσει σε ένα φορτίο μέχρι και 100 mw ισχύ. Από το πρώτο παράδειγμα γίνεται φανερή η έννοια της σχετικής στάθμης και από το δεύτερο η έννοια της απόλυτης στάθμης. 5.4 Στάθμες σημάτων dbm Το dbm εκφράζει στάθμη ηλεκτρικής ισχύος και έχει πάντα σαν αναφορά το 1 mw. Αυτό σημαίνει ότι 0 dbm = 1 mw. Το dbm δεν έχει άμεση σχέση με τάσεις και φορτία. Τα κυκλώματα στα οποία χρησιμοποιούνταν για μετρήσεις όταν ορίσθηκε ήταν οι τηλεφωνικές γραμμές που είχαν αντίσταση 600 ohm. Εφόσον η ισχύς αναφοράς είναι 1 mw, τότε V = volt (αποδείξτε το). Έτσι το παραπάνω παράδειγμα γίνεται Η μέγιστη τιμή εξόδου της κονσόλας είναι +20 dbm. Αυτή η πρόταση είναι φανερό ότι έχει το ίδιο νόημα με το δεύτερο παράδειγμα του προηγούμενου κεφαλαίου, έχει δηλαδή στάθμη αναφοράς το 1 mw. Η πρόταση θα μπορούσε επίσης να είναι: Η μέγιστη τιμή εξόδου της κονσόλας είναι +20 dbm στα 600 ohm. Αυτό μας λέει ότι και το προηγούμενο, μας δίνει όμως επιπροσθέτως την πληροφορία ότι το φορτίο είναι 600 ohm. Αυτό μας επιτρέπει να υπολογίσουμε την μέγιστη τάση για το φορτίο αυτό που βρίσκεται ότι είναι volt rms. Το dbm χρησιμοποιείτε στις περιπτώσεις που αναφέρεται σε φορτίο το οποίο γνωρίζουμε ότι είναι 600 ohm. Στην πράξη σήμερα το dbm χρησιμοποιείτε όταν κάποια διάταξη οδηγεί πολύ μεγάλου μήκους καλώδια σαν αυτά που χρησιμοποιούνται στα P.A. συστήματα ή στις εγκαταστάσεις των studio όπου χρησιμοποιούνται τα ισοσταθμισμένα κυκλώματα 600 ohm για την μείωση του θορύβου και των απωλειών στις υψηλές συχνότητες. Πίνακας 6: Μετατροπή από decibel σε λόγους πιέσεων και ισχύων. Αν αντί πίεσης και ισχύος έχετε κάποιο άλλο φυσικό μέγεθος συμβουλευτείτε τον πίνακα 3. To dbm ορίσθηκε σαν ένα standard για την βιομηχανία στο Proceedings of the Institute of Radio Engineers, Volume 28, τον Ιανουάριο του 1940, σε ένα άρθρο των HA. Chinn, D.K. Gannett και R.M. Moris με τίτλο "A New Standard Volume Indicator and Reference Level." ΗΧΗΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Ι ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ ΘΕΩΡΙΑΣ 27

28 5.4.2 dbu Οι περισσότερες σύγχρονες συσκευές ήχου (κονσόλες, κασετόφωνα, επεξεργαστές σήματος κ.λ.π.) χρησιμοποιούν τα επίπεδα τάσης και όχι τα επίπεδα ισχύος. Τα επίπεδα ισχύος δεν είναι λειτουργικά εκτός από τις διατάξεις ενισχυτών ισχύος που οι αντιστάσεις των φορτίων (ηχεία) είναι δεδομένες (4, 8, 16 ohm) όπως θα δούμε σε επόμενο κεφάλαιο. Σε αυτές τις περιπτώσεις η χρήση της έννοιας της ισχύος είναι αρκετά βολική. Όπως είπαμε και παραπάνω η αναφορά σε ισχύ προϋποθέτει την γνώση της τιμής του φορτίου που αναπτύσσεται κι αυτό κάνει τα πράγματα πολύπλοκα, κάτι που δεν είναι στην φιλοσοφία του db. Για τους παραπάνω λόγους ορίσθηκε μια καινούρια παράμετρος, το dbu. Το dbu είναι πιο κατάλληλο για να εκφράσει τάσεις εισόδου και εξόδου. Η σχέση που συνδέει το dbu με το dbm είναι ότι εκφράζουν την ίδια τάση στη θέση μηδενισμού (0 dbm, 0 dbu) εάν και μόνον αναφέρονται στο ίδιο φορτίο με τιμή 600 ohm. Κατά συνέπεια όπως είδαμε στην προηγούμενη παράγραφο για να συμβαίνει αυτό θα πρέπει η τάση αναφοράς να είναι volt. Εν τούτοις η τιμή του dbu δεν εξαρτάται από το φορτίο 0 dbu είναι πάντα volt.ένα παράδειγμα: Η μέγιστη τάση εξόδου της κονσόλας είναι +20 dbu V Αυτό σημαίνει: 20 dbu = 20 log V = 7.75 volt Σχήμα 21 : Αντιστοίχηση στάθμης σε dbu (ή dbm στα 600 ohm) με τάση dbv, dbv και dbw Το dbv είναι μια έκφραση παρόμοια με το dbu, εκφράζει δηλαδή λόγo τάσεων με μόνη διαφορά την τάση αναφοράς που είναι 1 volt rms. Είναι δηλ.0 dbv = 1 volt rms. Το dbv είναι ένα μέγεθος που χρησιμοποιούταν παλιότερα και όχι τόσο σήμερα. Εκείνη την περίοδο ΗΧΗΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Ι ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ ΘΕΩΡΙΑΣ 28

29 χρησιμοποιούνταν και η έκφραση dbv για να εκφράσει αυτό που ακριβώς εκφράζει σήμερα το dbu. Το v όμως ήταν εύκολο να μπερδευτεί με το V. Έτσι καταργήθηκε ο συμβολισμός dbv και δόθηκε ο πιο ευδιάκριτος συμβολισμός dbu. Στο σχήμα 21 βλέπουμε δύο διαγράμματα που μας δείχνουν τις τάσεις που αντιστοιχούν σε διάφορες τιμές dbu (ή dbm στα 600 ohm). Με μια αντίστοιχη λογική ορίζεται και το dbw που όπως καταλαβαίνουμε έχει σαν αναφορά το 1 Watt. Είναι δηλαδή: 0 dbw = 1 Watt db SPL Η έννοια του db μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να εκφράσει και επίπεδο ηχητικής πίεσης (SPL, δηλαδή Sound Pressure Level). Ο ασθενέστερος ήχος (ελάχιστα ακουστός) που μπορεί να αντιληφθεί ένα υγιές ανθρώπινο αυτί έχει εύρος 20 μpa το οποίο ισοδυναμεί με 5 δις φορές λιγότερο από την κανονική ατμοσφαιρική πίεση. Αυτή η μεταβολή της πίεσης των 20 μpa είναι τόσο μικρή που προκαλεί μια απόκλιση του τυμπάνου του ανθρώπινου αυτιού μικρότερη από τη διάμετρο ενός μορίου υδρογόνου. Κατά θαυμαστό τρόπο, το αυτί αντέχει ηχητικές πιέσεις πάνω από ένα εκατομμύριο φορές υψηλότερες των 20 μpa. Εάν, λοιπόν, η μέτρηση του ήχου γινόταν σε Pa θα προέκυπταν πολύ μεγάλα και δύσχρηστα αριθμητικά ποσά. Για αυτό χρησιμοποιείται και εδώ η κλίμακα των db. Το db όπως είπαμε δεν είναι μία απόλυτη μονάδα μέτρησης. Είναι μία αναλογία μεταξύ ενός μετρούμενου μεγέθους και ενός συμφωνημένου επιπέδου αναφοράς. Εδώ χρησιμοποιούνται τα 20 μpa ως ηχητική πίεση αναφοράς. Το κατώφλι ακοής ορίζεται λοιπόν ως 0 db SPL = 20 μpa. Κάθε φορά που πολλαπλασιάζετε επομένως η ηχητική πίεση επί 10, προστίθενται 20 db στη στάθμη των db SPL. Με χρήση λοιπόν της λογαριθμικής αυτής κλίμακας καθίσταται δυνατό να περιληφθεί επί του άξονα των σταθμών ηχητικής πίεσης η ευρύτατη περιοχή των εντάσεων μεταξύ των μόλις ακουστών ήχων και των ισχυρότατων ήχων. Τα μpa (δηλαδή 20 Pa) αντιστοιχούν σε 120 db. Ο πόνος για το ανθρώπινο αυτί αρχίζει στα 120 db. 5.5 Πρόσθεση των db Οι στάθμες επειδή είναι λογαριθμικές ποσότητες, δεν προστίθενται αριθμητικά. Αν έχουμε n στάθμες, έστω db 1, db 2,, db n, τότε το ολικό dβ θα δίδετε από την σχέση: Σχήμα 22: Τυπικές στάθμες ηχητικής πίεσης (db SPL) διαφόρων πηγών και αντίστοιχες τιμές ηχητικής πίεσης (σε Pa). Ηχητική στάθμη των μουσικών οργάνων Η ηχητική στάθμη των διαφόρων μουσικών οργάνων ποικίλλει ανάλογα με τον τύπο του οργάνου, την απόσταση από αυτό και το παίξιμο του μουσικού. Γενικά ισχύουν τα εξής: Όργανα ορχήστρας. Για την περίπτωση της τυπικής αποστάσεως των 10 ποδιών μέσα σε μία μη αντηχητική αίθουσα και για pianissimo δηλ. "μαλακό" παίξιμο ασθενών οργάνων (βιολί, αυλός, κ.ά) παράγεται μια ηχητική στάθμη μεταξύ 55 και 60 dβ. Αντιθέτως στην περίπτωση όπου έχουμε πλέον fortissimo δηλ. "σκληρό" παίξιμο για τα ίδια όργανα το ηχητικό επίπεδο ανεβαίνει στα 70 με 75 dβ. Πλέον θορυβώδη όργανα (τρομπέτα, τούμπα, κ.ά) παράγουν ηχητικά επίπεδα περί τα 75 και 90 dβ για το pianissimo και fortissimo παίξιμο αντιστοίχως. Ομάδες οργάνων. Στην περίπτωση κατά την οποία έχουμε ορχήστρες ή μπάντες τότε παράγονται υψηλότερα ηχητικά επίπεδα επειδή πολλές νότες και όργανα παίζουν ταυτοχρόνως. Εδώ το ηχητικό επίπεδο δεν μετράτε στην τυπική απόσταση των 10 αλλά των 20 ποδιών. Στην περίπτωση μιας ορχήστρας 75 οργάνων το μέσο ηχητικό επίπεδο είναι μεταξύ 85 και 90 dβ ενώ είναι δυνατό να φθάσει οριακά και σε τιμές 105 με 110 dβ ή και σε ακόμη υψηλότερες τιμές για μια πλήρη ορχήστρα. dβ = 20 log (10 db 1 / db 2 / db n /20 ) αν αφορά μεγέθη που η στάθμη τους έχει την μορφή 20 log ΗΧΗΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Ι ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ ΘΕΩΡΙΑΣ 29

30 ή από την σχέση: dβ = 10 log (10 db 1 / db 2 / db n /10 ) αν αφορά μεγέθη που η στάθμη τους έχει την μορφή 10 log. Μπορούμε όμως με σχετικά μεγάλη ευκολία να υπολογίσουμε την ολική στάθμη με την ακόλουθη προσεγγιστική μέθοδο. Έστω δυο στάθμες L 1 και L 2, τότε η ολική στάθμη L είναι: L = L 1 όπου το σύμβολο της προσεγγιστικής άθροισης των dβ. Η πράξη αυτή ορίζεται από την σχέση: L 1 L 2 L 2 = L max + C(ΔL) ακουστική ισχύς είναι ίση προς W = 3.5 watt. 9. Να προσδιορισθεί η στάθμη ηχητικής έντασης όταν η ηχητική ένταση είναι ίση προς I = 10-7 watt m Να προσδιορισθεί η συνολική στάθμη ακουστικής πίεσης την οποία προκαλούν τρεις ηχητικές πηγές με αντίστοιχες στάθμες πιέσεων 40, 45 και 50 db. 11. Να προσδιορισθεί η συνολική στάθμη ακουστικής έντασης την οποία προκαλούν τρεις ηχητικές πηγές που η κάθε μια έχει στάθμη 60 db. όπου L max η μεγαλύτερη από τις δυο στάθμες και C(ΔL) διορθωτικός παράγοντας με τιμές: 3 όταν ΔL = 0 έως 1 2 όταν ΔL = 2 έως 3 1 όταν ΔL = 4 έως 9 0 όταν ΔL > Ερωτήσεις 1. Αν η σχέση εξόδου - εισόδου σε μια ενισχυτική βαθμίδα είναι 15 db, βρείτε την σχέση ισχύων εξόδου εισόδου. Ομοίως για 3,6,10 και 20 db. 2. Αποδείξτε την σχέση: L τάσεων (db) = 20 log U U 3. Όταν μια τάση V έχει σχέση -6 db από μια τάση V o, ποια είναι η σχέση των τάσεων; Ομοίως για -10,-20,6 και 30 db. 4. Ποια είναι η σχέση που δίνει τα db για λόγους εντάσεων ρεύματος; 5. Ποια είναι η τάση εξόδου μιας διάταξης που έχει έξοδο +4 dbu, -1 dbu, +2 dbv και -1 dbv; 6. Ποια είναι η ελάχιστη τιμή ακουστικής πίεσης που μας προκαλεί πόνο στα αυτιά; (σε Newton/m 2 ). 7. Να προσδιορισθεί η στάθμη ακουστικής πίεσης όταν η ακουστική πίεση είναι ίση προς P = 2 Pa. 8. Να προσδιορισθεί η στάθμη ακουστικής ισχύος όταν η 2 1 ΗΧΗΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Ι ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ ΘΕΩΡΙΑΣ 30

31 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6. ΜΙΚΡΟΦΩΝΑ 6.1 Μετατροπή του ηχητικού σήματος σε ηλεκτρικό Στα προηγούμενα κεφάλαια περιγράφοντας την φυσική μορφή του ήχου αναφερθήκαμε στο ότι ο ήχος αρχικά διαδίδεται σαν ταλάντωση των μορίων ενός ελαστικού μέσου διάδοσης και σαν πιο σύνηθες αναφέραμε τον αέρα. Είπαμε ότι οι ταλαντώσεις των μορίων δημιουργούν πυκνώματα και αραιώματα όταν πρόκειται για τον αέρα και αυτές οι μεταβολές μετατρέπονται σε ηλεκτρικό σήμα της ίδιας μορφής. Δεν αναφέραμε όμως με ποιο τρόπο γίνεται αυτή η μετατροπή. Είναι ωστόσο γνωστό ότι η μετατροπή αυτή από το ηχητικό κύμα στο ηλεκτρικό σήμα (audio signal) γίνεται από τα μικρόφωνα. Όσον αφορά δε τον αέρα τα μικρόφωνα είναι ο μόνος τρόπος για να γίνει η μετατροπή αυτή. Χαρακτηρίζουμε λοιπόν τα μικρόφωνα σαν ηλεκτροακουστικούς μετατροπείς. Είναι λοιπόν φανερό ότι η ποιότητα κατασκευής των μικροφώνων απαιτεί τεράστια προσοχή, γιατί η διαδικασία της μεταβολής αυτής είναι πολύ σημαντική. Είναι σημαντική γιατί μια κακής ποιότητας μετατροπή δεν μπορεί να δώσει καλό αποτέλεσμα όσο καλή και να είναι η μετέπειτα διαδικασία (προενίσχυση, επεξεργασία, καταγραφή, ενίσχυση κ.λ.π.). Αρχικά θα περιγράψουμε τα μικρόφωνα σε σχέση με τον τύπο του μετατροπέα τους, την αρχή δηλαδή που χρησιμοποιούν για την μετατροπή της ηχητικής ενέργειας (ήχος) σε ηλεκτρικό ενέργεια (audio σήμα) και στη συνέχεια τα χαρακτηριστικά των διαφόρων τύπων. 6.2 Κατηγορίες μικροφώνων Τα μικρόφωνα μπορούν να καταταγούν σε κατηγορίες ανάλογα με ποιο παράγοντα και ποιο χαρακτηριστικό εξετάζουμε κάθε φορά. Σχήμα 23 : Δομή δυναμικού μικροφώνου Διαχωρισμός των μικροφώνων ως προς τον τύπο του μετατροπέα Δυναμικά μικρόφωνα Ο πιο κοινός τύπος μικροφώνων είναι τα δυναμικά μικρόφωνα. Είναι στην ουσία μικρογραφία ενός μεγαφώνου (που θα δούμε σε επόμενο κεφάλαιο). Πολλές φορές μάλιστα σε συστήματα ενδοσυνεννόησης υπάρχουν διατάξεις που εκτελούν και τις δύο λειτουργίες μαζί. Στο σχήμα 23 βλέπουμε την βασική κατασκευή ενός τέτοιου μικροφώνου. Αποτελείται από ένα μαγνήτη και έναν άξονα μεταξύ των δύο ΗΧΗΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Ι ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ ΘΕΩΡΙΑΣ 31

32 πόλων του μαγνήτη πάνω στον οποίο είναι τυλιγμένο το πηνίο φωνής (voice coil). Το πηνίο φωνής μπορεί να κινείται μέσα στο μαγνητικό πεδίο που δημιουργούν οι δύο πόλοι του μαγνήτη. Στο πάνω άκρο του πηνίου φωνής είναι τοποθετημένο ένα διάφραγμα. Όταν ένα ηχητικό κύμα χτυπά το διάφραγμα, η επιφάνεια του δονείται στην ίδια συχνότητα. Η κίνηση του διαφράγματος μεταφέρεται στο πηνίο φωνής το οποίο κινείται μπροστά και πίσω μέσα στο μαγνητικό πεδίο. Η κίνηση αυτή προκαλεί την δημιουργία ηλεκτρικού ρεύματος στο πηνίο ίδιων μεταβολών με αυτές της παραπάνω κίνησης. Έτσι το ηλεκτρικό ρεύμα στην έξοδο του πηνίου είναι μια αναπαράσταση του ήχου. Τα δυναμικά μικρόφωνα είναι ιδιαίτερα αξιόπιστα και ανθεκτικά και με καλή απόδοση και γι' αυτό το λόγο χρησιμοποιούνται στις ζωντανές εκδηλώσεις, όπου η φυσική αντοχή ενός μικροφώνου είναι ιδιαίτερα σημαντική. Επίσης είναι ιδιαίτερα ανθεκτικά στην υγρασία, τη σκόνη κλπ Πυκνωτικά μικρόφωνα Μετά τα δυναμικά τα πιο κοινά σε χρήση μικρόφωνα είναι τα πυκνωτικά. Σε αυτό το είδος μικροφώνων το διάφραγμα πάνω στο οποίο προσπίπτει ο ήχος είναι στην πραγματικότητα η μια πλάκα οπλισμού ενός πυκνωτή (σχήμα 24). Η τιμή της χωρητικότητας μπορεί να μεταβάλλεται υπό την επίδραση των ηχητικών κυμάτων επιτρέποντας την κίνηση της πλάκας του οπλισμού. Επειδή ισχύει ως γνωστόν ότι U = Q/C μπορούμε να ανιχνεύσουμε μια μεταβολή τάσης U στις πλάκες του οπλισμού μεταβλητής χωρητικότητας C με την προϋπόθεση ότι υπάρχει κάποιος μηχανισμός που διατηρεί το φορτίο Q σταθερό. Αυτό συμβαίνει με την χρήση μπαταρίας ή την DC τάση phantom power από μια κονσόλα. Τα πυκνωτικά μικρόφωνα παράγουν ένα σήμα τόσο χαμηλής τάσης που ουσιαστικά δεν έχει καμιά ισχύ, έτσι παρουσιάζουν πολύ μεγάλη αντίσταση. Γι' αυτό το λόγο κάθε πυκνωτικό μικρόφωνο συνδυάζεται απαραίτητα και με ένα ενισχυτή, πρώτον για να ενισχύει το χαμηλό σήμα και δεύτερον για να κάνει προσαρμογή της μεγάλης αντίστασης του μικροφώνου με τις διατάξεις που το συνδέουμε. Τα πρώτα πυκνωτικά μικρόφωνα είχαν ενισχυτές που λειτουργούσαν με λυχνίες και επομένως χαρακτηρίζονταν από μεγάλο μέγεθος. Τα πιο σύγχρονα χρησιμοποιούν transistor και είναι πολύ μικρότερα σε μέγεθος. Ωστόσο και αυτά με τον ενισχυτή λυχνίας χρησιμοποιούνται και σήμερα για λόγους ποιότητας. Σχήμα 24 : Δομή πυκνωτικού μικροφώνου. Στα πυκνωτικά μικρόφωνα το διάφραγμα μια και έχει μικρή μάζα μπορεί να ανταποκρίνεται πολύ γρήγορα και με ακρίβεια στα ηχητικά ερεθίσματα σε σχέση με τα δυναμικά μικρόφωνα. Τα πυκνωτικά λοιπόν μικρόφωνα έχουν εξαιρετικά ηχητικά χαρακτηριστικά και γι' αυτό χρησιμοποιούνται κατά κύριο στις ηχογραφήσεις. Είναι όμως περισσότερο ευαίσθητα στους κραδασμούς και στις επιδράσεις του περιβάλλοντος και ως εκ τούτου δεν χρησιμοποιούνται συχνά στις ζωντανές παραστάσεις. ΗΧΗΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Ι ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ ΘΕΩΡΙΑΣ 32

33 Μικρόφωνα ταινίας (ribbon) Τα μικρόφωνα ταινίας χρησιμοποιούν μια μέθοδο που μοιάζει πολύ με αυτήν των δυναμικών μικροφώνων. Μια λεπτή και ελαφριά μεταλλική ταινία τοποθετείται στο κενό ανάμεσα στους δύο πόλους ενός ισχυρού μόνιμου μαγνήτη. Η ταινία είναι σταθερή στις άκρες, μπορεί όμως να κινείται κατά μήκος όταν ένα ηχητικό κύμα πέφτει πάνω της. Όταν συμβεί αυτό η ταινία δονείται στο ρυθμό του ηχητικού κύματος. Η κίνηση αυτή του αγωγού (ταινία) μέσα στο μαγνητικό πεδίο αναπτύσσει στα άκρα της μια ηλεκτρική τάση. Η τάση αυτή είναι πολύ χαμηλή όπως και η σύνθετη αντίσταση του μικροφώνου είναι επίσης πολύ χαμηλή. Για το λόγο αυτό όλα τα μικρόφωνα ταινίας διαθέτουν και ένα μετασχηματιστή για την προσαρμογή της αντίστασης. Στο σχήμα 25 φαίνεται η αρχή κατασκευής ενός μικροφώνου ταινίας. Τα μικρόφωνα ταινίας είναι και αυτά αρκετά ευαίσθητα, πολύ καλά για ακουστικά όργανα μια και έχουν εξαιρετικά ηχητικά χαρακτηριστικά με πολύ ζεστό ήχο και κυρίως ζεστά και καθαρά πρίμα. Χρησιμοποιούνται στις ηχογραφήσεις αλλά ακόμα κι εκεί με πολύ προσοχή μια και είναι εξαιρετικά ευαίσθητα (μπορούν να καταστραφούν απλά και μόνο φυσώντας μέσα στο μικρόφωνο). Σχήμα 25: Δομή μικροφώνου Ribbon Μικρόφωνα άνθρακα (carbon) Τα μικρόφωνα τύπου άνθρακα είναι τα πρώτα μικρόφωνα που κατασκευάστηκαν. Ένα διάφραγμα πιέζει ένα έμβολο που και αυτό με τη σειρά του πιέζει τον άνθρακα που βρίσκεται μέσα σε ένα κουτί. Το κύκλωμα κλείνει με τον άνθρακα σαν μια αντίσταση. Όταν το διάφραγμα πάλλεται, το ίδιο συμβαίνει με το έμβολο που και αυτό πάλλεται και μεταβάλλει την αντίσταση που παρουσιάζει η μάζα του άνθρακα δημιουργώντας μεταβολές στο ηλεκτρικό ρεύμα που υπάρχει λόγω της τροφοδοσίας του κυκλώματος. Το ρεύμα αυτό είναι μία αναπαράσταση του ηχητικού κύματος. Τα μικρόφωνα άνθρακα δεν φημίζονται για τα ηχητικά χαρακτηριστικά τους, είναι όμως πολύ φθηνά και γι' αυτό το λόγο χρησιμοποιούνται ακόμα. Ήταν για πολλά χρόνια το βασικό μικρόφωνο για τις τηλεφωνικές συσκευές. Στην έξοδο του το μικρόφωνο άνθρακα έχει συνήθως ένα μετασχηματιστή για προσαρμογή της χαμηλής αντίστασης του μικροφώνου με τα υπόλοιπα συστήματα αλλά και για την απομόνωση της DC τάσης της ηλεκτρικής πηγής. Στο σχήμα 26 φαίνεται το διάγραμμα κατασκευής του μικροφώνου τύπου άνθρακα. Σχήμα 26 : Δομή μικροφώνου άνθρακα Πιεζοηλεκτρικό (κρυσταλλικό) μικρόφωνο Ένας σημαντικός ακόμα τύπος μικροφώνου είναι το πιεζοηλεκτρικό μικρόφωνο. Σε αυτά ένα ευαίσθητο διάφραγμα είναι συνδεδεμένο με μια ακίδα πάνω σε ένα κρύσταλλο. Όταν ασκείται μια πίεση στον κρύσταλλο εξαιτίας του πιεζοηλεκτρικού φαινομένου αναπτύσσεται στις επιφάνειες του κρυστάλλου μια ηλεκτρική τάση. ΗΧΗΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Ι ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ ΘΕΩΡΙΑΣ 33

34 Όταν τα ηχητικά κύματα προσπίπτουν στο διάφραγμα αυτό δονείται ανάλογα και μεταφέρει την δόνηση αυτή στον κρύσταλλο ο οποίος παράγει μια αντίστοιχη τάση που είναι αναπαράσταση των ηχητικών κυμάτων. Στο σχήμα 27 φαίνεται ένα λειτουργικό διάγραμμα ενός τέτοιου μικροφώνου Διαχωρισμός των μικροφώνων ανάλογα με τον τρόπο που δημιουργείται η ταλάντωση στο διάφραγμα Αν υποθέσουμε ότι έχουμε ένα μικρόφωνο το οποίο βρίσκεται σε ένα ηχητικό πεδίο που παράγεται από μια σημειακή πηγή. Ονομάζουμε γωνία πρόσπτωσης τη γωνία που σχηματίζεται από την ευθεία που διέρχεται κάθετα από το κέντρο του διαφράγματος του μικροφώνου και από την ευθεία που ενώνει το κέντρο του διαφράγματος με τη σημειακή πηγή όπως φαίνεται στο σχήμα 28. Σχήμα 27: Δομή πιεζοηλεκτρικού μικροφώνου. Παρακάτω θα εξετάσουμε τις δύο βασικές κατηγορίες μικροφώνων που έχουμε ανάλογα με τον τρόπο που δημιουργείται η ταλάντωση στο διάφραγμα. Αυτά είναι: τα μικρόφωνα πίεσης και τα μικρόφωνα διανυσματικής διαφοράς πίεσης Μικρόφωνα πίεσης Τα μικρόφωνα αυτού του τύπου αποτελούνται από ένα διάφραγμα στο οποίο η ηχητική πίεση ασκείται μόνο από την μια πλευρά. Η άλλη πλευρά είναι καλυμμένη με ένα κάλυμμα με μια μόνο οπή για να υπάρχει σταθερή πίεση εκατέρωθεν του διαφράγματος, όπως φαίνεται στο σχήμα 29. Η δύναμη που ασκείται στο διάφραγμα είναι: Σχήμα 28 :Ορισμός της γωνίας πρόσπτωσης. F = S P όπου S η επιφάνεια του διαφράγματος και P η πίεση που ασκείται στο διάφραγμα. Έτσι κάθε φορά η συνολική δύναμη στο διάφραγμα θα ισούται με τη διαφορά των δύο δυνάμεων F = S (P Ο ± dp) - S P O = S P O ± S dp - S P O F = ± S dp Όταν η γωνία πρόσπτωσης δεν είναι 0 τότε μεγάλη σημασία έχει για την ταλάντωση του διαφράγματος το μήκος κύματος του ήχου που προσπίπτει. Αν το μήκος κύματος (λ) είναι πολύ μεγάλο σε σχέση με το διάφραγμα δεν έχει Σχήμα 29: Δομή μικροφώνου πίεσης. ΗΧΗΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Ι ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ ΘΕΩΡΙΑΣ 34

35 πρακτικά μεγάλη σημασία η γωνία πρόσπτωσης. Αν το μήκος κύματος γίνει συγκρίσιμο με τις διαστάσεις του διαφράγματος και η διαφορά δρόμου (d) του κύματος πλησιάζει την τιμή λ/2 τότε στις δύο άκρες του διαφράγματος ασκείται πίεση με αντίθετη φάση και επομένως η συνολική ενέργεια που μεταφέρεται στο μικρόφωνο είναι μειωμένη (σχήμα 30). Το πρακτικό αποτέλεσμα αυτού του φαινομένου είναι ότι για κάποιες συχνότητες, που μπορούν να υπολογιστούν αν γνωρίζουμε τη διάμετρο του διαφράγματος, το μικρόφωνο μπορεί να λειτουργήσει σαν φίλτρο αποκόπτοντας τις συχνότητες αυτές όταν προσπίπτουν με μια συγκεκριμένη γωνία πρόσπτωσης. Παράδειγμα: Αν έχουμε για ένα μικρόφωνο πίεσης, γωνία πρόσπτωσης θ = 45 και διάμετρο διαφράγματος (ΑΒ) R=3 cm τότε: d = sinθ R Σχήμα 30 : Μελέτη μικροφώνου πίεσης. Αν θέλουμε την ακραία περίπτωση όπου έχουμε πρόσπτωση στα δύο άκρα του ΑΒ κύματος με αντίθετη φάση τότε ψάχνουμε τη συχνότητα για την οποία ισχύει d = λ/2. Άρα: λ/2 = sinθ R => λ = 2 sinθ R = m και f = c/λ = 8089,6 Hz 8.1 khz (όπου c θεωρήθηκε ίσον με 343 m/sec) Μικρόφωνα διανυσματικής διαφοράς πίεσης Στα μικρόφωνα αυτής της κατηγορίας (που ονομάζονται και μικρόφωνα ταχύτητας) το διάφραγμα δεν είναι κλειστό από τη μια μεριά αλλά δέχεται την ηχητική πίεση και από τις δύο όψεις. Η μετακίνηση του διαφράγματος γίνεται από τη συνισταμένη δύναμη που προκύπτει από τις δύο πιέσεις. Αν πρόκειται για ημιτονικό σήμα η πίεση στην μπροστινή επιφάνεια θα είναι: Ρ 1 = Ρ o cosωt Ενώ στην πίσω μεριά του διαφράγματος θα είναι: Ρ 2 = Ρ o cosω(t +Δt) Αν η διαφορά δρόμου για να φτάσει το κύμα στην πίσω μεριά του διαφράγματος είναι d τότε Δt = c d Ρ 1 - Ρ 2 = Ρ o cosωt - Ρ o cosω(t +Δt) = Ρ o [cosωt - (cosωt cosωδt - sinωt sinωδt)] (αν Δt <<, cosωtδt 1) = Ρ o [cosωt - cosωt + sinωt sinωδt] (αν Δt <<, sinωδt ωδt) ΗΧΗΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Ι ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ ΘΕΩΡΙΑΣ 35

36 = Ρ o ωδt sinωt => Ρ 1 Ρ 2 = Ρ o 2πf d c sinωt επομένως η δύναμη που ασκείται τελικά στο διάφραγμα: F = S (Ρ 1 Ρ 2) = SP O 2πfd c sinωt Αν το κύμα προσπίπτει στο διάφραγμα με γωνία θ τότε μπορούμε αποδεδειγμένα να Δt = c d cosθ και η παραπάνω σχέση γίνεται: F = SP O 2πfdcosθ c sinωt Βλέπουμε λοιπόν πως για γωνίες πρόσπτωσης 90 και 270 η δύναμη μηδενίζεται. Η ανάλυση σε πολικές συντεταγμένες θα μας δώσει δύο κύκλους εφαπτόμενους στο κέντρο του διαφράγματος.. Παράδειγμα: Αν έχουμε ένα μικρόφωνο διανυσματικής διαφοράς πίεσης με διάμετρο διαφράγματος 1cm 2 και ασκείται σε αυτό ακουστική πίεση 1N/m 2 και συχνότητα 1kHz. Ποια θα είναι η μορφή του πολικού διαγράμματος αν ή πηγή με σταθερή ένταση και συχνότητα περιστρέφεται γύρω από το μικρόφωνο κατά 180 ; (Δίνεται η απόσταση που διανύει το ηχητικό κύμα για να φτάσει από το εμπρός στο πίσω μέρος του διαφράγματος 1cm και η ταχύτητα του ήχου στον αέρα 344 m/sec). Ονομάζουμε την ποσότητα SΡ o2πf σταθερή πίεση και συχνότητα). d c = Α (σταθερή για Με αντικατάσταση των τιμών και απλοποίηση των μονάδων βρίσκουμε : Α = Ν Η προηγούμενη σχέση γράφεται F = (Α cosθ) sinωt. Το πλάτος της δύναμης που ασκείται στο διάφραγμα σχετίζεται με την γωνία πρόσπτωσης θ. Για διάφορες τιμές του θ το πλάτος της δύναμης είναι: θ Α Δεδομένου ότι μιλάμε για την συνάρτηση cosθ το διάγραμμα θα είναι συμμετρικό και αν σχεδιάσετε το διάγραμμα που προκύπτει με βάση αυτές τις τιμές θα πάρετε ένα δικατευθυντικό πολικό διάγραμμα που θα το δούμε στην ΗΧΗΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Ι ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ ΘΕΩΡΙΑΣ 36

37 6.2.3 Διαχωρισμός των μικροφώνων ανάλογα με το πολικό τους διάγραμμα Τα μικρόφωνα ταξινομούνται όχι μόνο ανάλογα με τον τρόπο της μετατροπής αλλά και ανάλογα με το πολικό τους διάγραμμα. Το πολικό διάγραμμα μιας διάταξης που ακτινοβολεί ή λαμβάνει ηχητική ενέργεια είναι ένα διάγραμμα που απεικονίζει την ένταση που ακτινοβολείται ή λαμβάνεται σε μια συγκεκριμένη συχνότητα σε σχέση με την γωνία από μια προκαθορισμένη θέση. Το πολικό διάγραμμα λοιπόν ενός μικροφώνου θα είναι ένα διάγραμμα που μας δείχνει ποια είναι η ένταση του σήματος που λαμβάνεται από τις διάφορες κατευθύνσεις γύρω από τον άξονα του μικροφώνου. Υπάρχουν διάφορα τυποποιημένα πολικά διαγράμματα. Παρακάτω θα δούμε ακριβώς τα είδη των πολικών διαγραμμάτων Παντοκατευθυντικά (omnidirectional) Τα παντοκατευθυντικά όπως μαρτυρεί και το όνομα τους (το omni είναι ένας λατινικός όρος που σημαίνει τα πάντα) λαμβάνουν τον ήχο (λιγότερο ή περισσότερο) ομοιόμορφα από όλες τις κατευθύνσεις. Το επίπεδο πολικό διάγραμμα ενός τέτοιου μικροφώνου είναι προφανώς ένας κύκλος και το πολικό διάγραμμα του διάγραμμα σε όλο το χώρο είναι μια σφαίρα, όπως βλέπετε στο σχήμα 31. Τα παντοκατευθυντικά μικρόφωνα ποτέ δεν χρησιμοποιούνται σε ζωντανές εκδηλώσεις γιατί απλά δεν προσφέρουν καμιά προστασία από την ανάδραση (feedback). Υπάρχει ωστόσο ένας μύθος ότι τα καρδιοειδή (που θα δούμε αμέσως μετά) είναι καλύτερα μικρόφωνα αλλά αυτό δεν είναι αλήθεια. Τα παντοκατευθυντικά έχουν καλύτερη απόκριση στις χαμηλές συχνότητες και καλύτερη συμπεριφορά στον θόρυβο της αναπνοής και του ανέμου. Έχουν επίσης πολλές εφαρμογές στην ηχογράφηση γι' αυτό κάθε studio έχει μερικά. Σχήμα 31: Πολικό διάγραμμα παντοκατευθυντικού μικροφώνου σε επίπεδο(επάνω) και σε όλο τον χώρο(κάτω). Η ένθετη εικόνα του μικροφώνου βοηθάει στην πιο εύκολη κατανόηση της έννοιας του πολικού διαγράμματος) Καρδιοειδή (cardioid) Είναι το πιο ευρέως χρησιμοποιούμενα από όλους τους άλλους τύπους. Ονομάζονται έτσι γιατί το διάγραμμα τους μοιάζει με σχήμα καρδιάς. Έτσι όπως προκύπτει και από το διάγραμμα το καρδιοειδές είναι πιο ευαίσθητο σε ήχους που έρχονται από μια συγκεκριμένη κεντρική κατεύθυνση και βαθμιαία λιγότερο ευαίσθητο σε ήχους από άλλες κατευθύνσεις. Λόγω της ιδιότητας τους αυτής είναι ιδιαίτερα χρήσιμο γιατί βοηθά στην αποφυγή των αναδράσεων. Στο σχήμα 32 φαίνεται ένα τέτοιο διάγραμμα Δικατευθυντικό (bi-directional ή figure-8) Ένας πιο ασυνήθιστος, αλλά πολλές φορές χρήσιμος τύπος μικροφώνου είναι αυτός που ονομάζουμε. Σχήμα 32: Πολικό διάγραμμα καρδιοειδούς μικροφώνου. ΗΧΗΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Ι ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ ΘΕΩΡΙΑΣ 37

38 δικατευθυντικός Όπως μαρτυρά και το όνομα είναι ευαίσθητο στους ήχους που έρχονται από την μπροστά και την πίσω κατεύθυνση, ενώ μειώνει τους θορύβους που έρχονται από τα πλάγια. Είναι πολύ χρήσιμο σε περιπτώσεις όπου δύο διαφορετικές πηγές ήχου πρέπει να καλυφθούν με το ίδιο μικρόφωνο. Στο σχήμα 33 φαίνεται το πολικό διάγραμμα ενός τέτοιου μικροφώνου Υπερκαρδιοειδές (supercardioid) Το υπερκαρδιοειδές είναι μικρόφωνο μεγάλης κατευθυντικότητας. Ωστόσο σε αντίθεση με το καρδιοειδές έχει ένα μεγαλύτερο πίσω λοβό. Λαμβάνει δηλαδή από την πίσω πλευρά περισσότερο. Χρησιμοποιείται όπου απαιτείται μεγάλη κατευθυντικότητα. Στο σχήμα 34 φαίνεται το πολικό του διάγραμμα. Σχήμα 33: Πολικό διάγραμμα δικατευθυντικού μικροφώνου. Τα δύο θεμελιώδη πολικά διαγράμματα είναι το omni που λαμβάνεται από μικρόφωνα πίεσης και το figure-8 που λαμβάνεται από μικρόφωνα διανυσματικής διαφοράς πίεσης. Όλα τα άλλα διαγράμματα που είναι σε χρήση (συμπεριλαμβανομένου και του δημοφιλούς καρδιοειδούς), δημιουργούνται με το συνδυασμό αυτών των δυο. Εάν προσθέτετε τις συνεισφορές ενός omni και ενός figure-ofeight (με τις ίδιες ομως ευαισθησίες), το προκύπτον πολικό διάγραμμα είναι ένα cardioid. Στο μπροστινό μέρος, το figureof-eight και το omni έχουν την ίδια στάθμη και πολικότητα, και έτσι προστίθενται και παράγουν μια ευαίσθητη μπροστινή περιοχή που προφανώς είναι 6dB μεγαλύτερη από το καθένα τους. Στα πλευρά, η συμβολή του figure-of-eight μηδενίζεται και μόνο η έξοδος του omni μικροφώνου λαμβάνεται. Έτσι οι πλευρές έχουν 6dB λιγότερη ευαισθησία από το εμπρός μέρος. Στο πίσω τμήμα, οι omni και figure-of-eight συνεισφορές έχουν την ίδια ευαισθησία, αλλά αντίθετες πολικότητες και έτσι ακυρώνουν το ένα το άλλο. Σχήμα 34: Πολικό διάγραμμα υπερκαρδιοειδούς μικροφώνου. Να θυμάστε ότι αν και τα τυπωμένα πολικά διαγράμματα είναι σε δύο διαστάσεις (όπως στα παραπάνω σχήματα), το πραγματικό διάγραμμα είναι τρισδιάστατο. Όπως είδαμε στο σχήμα 30 ένα παντοκατευθυντικό διάγραμμα μικροφώνου στο χαρτί μοιάζει με έναν κύκλο, αλλά στην πραγματικότητα είναι μια σφαίρα. ΗΧΗΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Ι ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ ΘΕΩΡΙΑΣ 38

39 Πολικά διαγράμματα και συχνότητα Τα μικρόφωνα εμφανίζουν διαφορές στην κατευθυντικότητα τους ανάλογα με την συχνότητα. Αυτό βέβαια συνάγεται άμεσα από τα πολικά τους διαγράμματα, όπως φαίνεται στο σχήμα Μερικές ακόμα κατηγορίες μικροφώνων Ένας άλλος τρόπος να κατηγοριοποιήσουμε τα μικρόφωνα είναι με τον τρόπο που είναι σχεδιασμένα να βρίσκονται κατά την διάρκεια της λειτουργίας τους. Έτσι υπάρχουν τα μικρόφωνα που τα κρατά στο χέρι του ο ομιλητής ή ο τραγουδιστής (hand held) και αυτά που είναι σχεδιασμένα να βρίσκονται σε ειδική βάση (stand mounting). Ωστόσο και η πρώτη κατηγορία τοποθετείται σε βάση μερικές φορές. Ωστόσο υπάρχουν πέρα από τις κλασικές παραπάνω κατηγορίες και μικρόφωνα για πιο εξειδικευμένες χρήσεις όπως για παράδειγμα τα μικρόφωνα μεγάλης κατευθυντικότητας shotgun που χρησιμοποιούνται για την λήψη του ήχου στον κινηματογράφο όπου θέλουμε να επικεντρώσουμε στους διάλογους των ηθοποιών αλλά και για την λήψη ήχου από μεγάλη απόσταση για διάφορους άλλους σκοπούς (π.χ. σε αθλητικά θεάματα). Τα παραβολικά μικρόφωνα που συνδυάζουν ένα μικρόφωνο με έναν ανακλαστήρα (κάτοπτρο) και χρησιμοποιούνται για ηχογραφήσεις στο φυσικό περιβάλλον. Οι κάψες επαφής (contact pickup) που είναι σχεδιασμένες για να λαμβάνουν τον ήχο από τις δονήσεις ενός στερεού μέσου και χρησιμοποιούνται σχεδόν αποκλειστικά για όργανα και διάφοροι άλλοι τύποι. Σχήμα 35: Τα τέσσερα αυτά πολικά διαγράμματα προέρχονται από το ίδιο καρδιοειδές μικρόφωνο και ελήφθησαν για 250,1000,2000 και 5000 Hz αντίστοιχα, για τις περιπτώσεις α,β,γ, και δ. Φαίνεται η διαφορετική κατευθυντικότητα για κάθε περίπτωση και κυρίως αυτής για τα 5000 Hz. ΗΧΗΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Ι ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ ΘΕΩΡΙΑΣ 39

40 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7. ΚΟΝΣΟΛΕΣ ΜΙΞΗΣ 7.1 Γενικά Σε κάθε ηχητικό σύστημα studio ή P.A., η κονσόλα μίξης είναι η συσκευή που όλα τα σήματα «συναρμολογούνται» μαζί. Η διαδικασία αυτή είναι που ονομάζεται μίξη. Οτιδήποτε συνδέεται με την κονσόλα (μικρόφωνα, μουσικά όργανα κ.λπ.), πηγαίνει στους ενισχυτές και από εκεί στα ηχεία, στα ηχεία παρακολούθησης (monitor) και αν αυτό είναι επιθυμητό, σε διάφορες μονάδες εφέ. Γι' αυτόν το λόγο η κονσόλα αποτελεί την «καρδιά» ενός τέτοιου ηχητικού συστήματος. Η πληθώρα των διακοπτών, κουμπιών και υποδοχών προκαλεί σύγχυση στην αρχή, αλλά γρήγορα θα την ξεπεράσετε, μιας και όλα είναι κανονισμένα να δουλεύουν με απλό και λογικό τρόπο. 7.2 Η κατασκευή της κονσόλας μίξης Κάθε διαφορετικός τύπος κονσόλας έχει τις δικές του ιδιομορφίες, που θα τις ανακαλύψετε στο βιβλίο οδηγιών χρήσης της (manual), αλλά η βασική κατασκευή είναι πάντα η ίδια. Κατ' αρχάς το πιο σημαντικό είναι ο αριθμός των καναλιών εισόδου. Όσο περισσότερα κανάλια υπάρχουν τόσο περισσότερες πηγές σήματος μπορούν να συνδεθούν ταυτόχρονα. Υπάρχει μια λογική σειρά λειτουργίας κάθε καναλιού υποδοχής που κάνει ευκολονόητη τη χρήση του. Το σήμα «ρέει» από πάνω προς τα κάτω κι εσείς μπορείτε να επέμβετε ενδιάμεσα και να το προσαρμόσετε στις ανάγκες σας, μέσω διαφόρων ρυθμιστικών και διακοπτών. Όλα τα ανεξάρτητα κανάλια εισόδου είναι κατασκευασμένα και λειτουργούν με τον ίδιο ακριβώς τρόπο. Αν μπορείτε να χειριστείτε λοιπόν ένα κανάλι, τότε μπορείτε να χειριστείτε και όλα τα υπόλοιπα και σχεδόν όλη την κονσόλα μίξης. Λίγη ονοματολογία Οι όροι mixer (μίκτης), console (κονσόλα), mixing console, board, μικροφωνική και desk χρησιμοποιούνται εναλλακτικά για το είδος αυτό των συσκευών. Όλοι χρησιμοποιούνται ακριβώς για να δηλώσουν συσκευές που συνδυάζουν και επαναδρομολογούν audio σήματα από ένα σύνολο εισόδων σε ένα σύνολο εξόδων συνήθως μαζί με κάποια επιπρόσθετη επεξεργασία σήματος και ρύθμιση της στάθμης τους. Μια διάκριση των όρων αυτών έγκειται στο ότι ο μίκτης αναφέρεται γενικά σε μια μικρή μονάδα με λιγότερες από 12 εισόδους ενώ οι μεγαλύτερες μονάδες είναι οι κονσόλες μίξης. Ο όρος μικροφωνική χρησιμοποιείτε συνήθως για τις αυτοενισχυόμενες κονσόλες. Ο όρος κονσόλα είναι απλώς μια συντόμευση του όρου κονσόλα μίξης, ο όρος board χρησιμοποιείται μερικές φορές για να περιγράψει μια κονσόλα μίξης και τέλος ο όρος desk είναι ένας σχετικά δημοφιλής βρετανικός όρος για αυτές τις συσκευές. 7.3 Πως δουλεύει ένα κανάλι; Προενισχυτής (preamplifier) Στην κορυφή του καναλιού υπάρχει ένας προενισχυτής μικροφώνου. Οι προενισχυτές χρησιμοποιούνται για να ωθήσουν το αδύνατο -70 dbu με -50 dbu σήμα των μικροφώνων στα επίπεδα από -20 dbu έως + 4 dbu. Ο προενισχυτής είναι το πρώτο ενεργό στάδιο, το πρώτο ηλεκτρονικό κύκλωμα που επεξεργάζεται το σήμα μικροφώνων που συνδέεται με μια κονσόλα. Οι προενισχυτές όταν χρησιμοποιούνται για να ενισχύσουν το σήμα από τα Το κανάλι εισόδου μιας κονσόλας μπορεί να αναφέρεται συχνά και ως προενίσχυση, αλλά στην πραγματικότητα η προενίσχυση είναι μόνο ένα μέρος ενός καναλιού εισόδου. Είναι ένα κύκλωμα που απαιτείται σε οποιοδήποτε κανάλι με μια mic είσοδο, αλλά ένα κανάλι περιέχει περισσότερα κυκλώματα και όχι μόνο το κύκλωμα προενίσχυσης. ΗΧΗΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Ι ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ ΘΕΩΡΙΑΣ 40

41 Σχήμα 36:Συδεσμολογία συσκευών με κονσόλα. ΗΧΗΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Ι ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ ΘΕΩΡΙΑΣ 41

42 pickup κιθάρων ενεργούν περισσότερο ως μετατροπείς σύνθετης αντίστασης παρά ως προενισχυτές τάσης, δεδομένου ότι τα pickup των κιθάρων μπορούν να παραγάγουν τάσεις που είναι ήδη ίσες με τη line τάση μιας κονσόλας. Η σχεδίαση του προενισχυτή είναι πολύ σημαντικό πράγμα δεδομένου ότι αυτό είναι το κύκλωμα με το περισσότερο gain, και ως εκ τούτου έχει τον μεγαλύτερο κίνδυνο να ενισχυθεί η παραμόρφωση και ο θόρυβός του. Σημαντικό ρόλο παίζει και η σύνθετη αντίσταση της πηγής που συνδέεται με τον προενισχυτή μιας εισόδου. Αυτός είναι και ο λόγος που ένας προενισχυτής σχεδιασμένος για ηλεκτρική κιθάρα (η οποία έχει σύνθετη αντίσταση πολλών δεκάδων kohm) δεν θα μας δώσει καλό ήχο για ένα μικρόφωνο (το οποίο έχει σύνθετη αντίσταση της τάξης 50 έως 200 ohm). Πάνω, κάτω ή και στο πλάι του, βρίσκουμε ένα διακόπτη επιλογής μικροφώνου ή line (απευθείας είσοδος). Μ' αυτόν τον διακόπτη μπορείτε να επιλέξετε ποια μορφή εισόδου θα χρησιμοποιήσετε, δηλαδή μικρόφωνο ή line ενός π.χ. synthesizer, ηλεκτρικής κιθάρας, μικροφώνου κλπ., τα οποία θα συνδέσετε στην υποδοχή του καναλιού. Μερικές φορές υπάρχουν δύο ξεχωριστές υποδοχές, μία για mic, μία για line. Ο λόγος ύπαρξης του διακόπτη επιλογής (ή των διαφορετικών υποδοχών) είναι γιατί το σήμα ενός μικροφώνου είναι αρκετά πιο χαμηλό από το line και γι' αυτό πρέπει να ενισχυθεί περισσότερο. Με το ρυθμιστή απολαβής σήματος (gain), μπορείτε να ρυθμίσετε το επίπεδο ενίσχυσης του. Σε πολλές κονσόλες μίξης υπάρχουν κόκκινα ενδεικτικά υπερφόρτωσης, που δείχνουν ότι το κανάλι έχει σήμα στάθμης παραπάνω από το κανονικό (οπότε έχουμε παραμόρφωση) Ρύθμιση τόνου (ισοσταθμιστής ή equalizer) Στους σχετικά πιο φθηνούς μίκτες θα δείτε μόνο δύο κουμπιά ρύθμισης τόνου, ένα για μπάσα και ένα για πρίμα. Στις πιο ακριβές κονσόλες συχνά υπάρχει ένα τρίτο κουμπί για ρύθμιση των μεσαίων συχνοτήτων ή ακόμη καλύτερα και ένας παραμετρικός ισοσταθμιστής Βοηθητικές έξοδοι (auxiliary) Τα auxiliary είναι ρυθμιστές που μας επιτρέπουν να στείλουμε το σήμα έξω από το mixer και προς κάποιο σύστημα ακρόασης (monitor) ή προς κάποια ειδική μονάδα εφέ. Αυτό γίνεται με τον ακόλουθο τρόπο: Στο πίσω μέρος της κονσόλας υπάρχει μια σειρά υποδοχών με τους όρους send (έξοδος) και return (επιστροφή, δηλ. είσοδος). Σ' αυτές τις υποδοχές θα συνδέσετε το εφέ που θέλετε, π.χ. κάποια συσκευή reverb, echo, delay κ.λ.π. Η είσοδος του εφέ συνδέεται με την έξοδο send του mixer. Η έξοδος από το εφέ Η πάνω εικόνα μας δίνει την γενική δομή μιας κονσόλας (Input και Output section), η κάτω μας περιγράφει μια φέτα (chanell strip) ενός καναλιού της κοσόλας. στέλνεται πίσω στο mixer μέσω της υποδοχής return. ΗΧΗΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Ι ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ ΘΕΩΡΙΑΣ 42

43 Τώρα μπορείτε χρησιμοποιώντας τα ρυθμιστικά auxiliary γι' αυτό το κανάλι, να ρυθμίσετε τη στάθμη την μονάδα Εφέ. Συνήθως το mixer διαθέτει και κεντρικά ρυθμιστικά auxiliary (δηλ. master auxiliary) που επιδρούν στις εντάσεις όλων των auxiliary. Το ίδιο ισχύει και για το monitor, με τη διαφορά ότι εδώ δε χρειαζόμαστε επιστροφή του σήματος στο mixer, αφού αυτή η σύνδεση είναι μόνο έξοδος που μας επιτρέπει να κάνουμε ακρόαση μέσω κάποιου ηχητικού σήματος. Αν υπάρχει κάποιος διακόπτης με την ένδειξη pre/post (πριν/μετά), μπορείτε να διαλέξετε αν θα στείλετε το σήμα προς τις βοηθητικές εξόδους πριν αυτό περάσει από το fader (εξασθενητής/ρυθμιστής έντασης του καναλιού), ή μετά, δηλαδή pre - fader ή post - fader. Αν ο διακόπτης είναι στη θέση pre, το fader δεν αυξομειώνει την ένταση των βοηθητικών σημάτων όπως αυτά φεύγουν από τις εξόδους του mixer, αλλά δίνεται προτεραιότητα στα ρυθμιστικά των βοηθητικών. Αν κάνετε μίξη με ακουστικά σε studio, αυτή η θέση είναι πιθανότατα η καλύτερη, αφού σας επιτρέπει να φτιάξετε την δικιά σας μίξη χρησιμοποιώντας τα ρυθμιστικά των βοηθητικών. Αν ο διακόπτης είναι στη θέση post, το fader αυξομειώνει τις εντάσεις των σημάτων όπως αυτές φεύγουν από τις βοηθητικές εξόδους, δηλαδή έχει προτεραιότητα η ρύθμιση Επόμενο στη σειρά είναι το κουμπί pan Ρυθμιστικό πανοραμικής τοποθέτησης (ΡΑΝorama control) Το ρυθμιστικό pan χρησιμοποιείται για την τοποθέτηση του ηχητικού σήματος κάθε καναλιού σε διάφορες θέσεις μέσα στο στερεοφωνικό φάσμα. Δηλαδή, αν το κουμπί pan είναι στη μέση, το σήμα (φωνή, μουσικό όργανο, κ.λπ.) θα ακούγεται και από τα δύο μεγάφωνα ενός στερεοφωνικού συστήματος (ή ακουστικών) με την ίδια ένταση. Εφόσον μπορείτε να ρυθμίσετε κάθε κανάλι με το κουμπί pan, αυτό σημαίνει ότι μπορείτε να τοποθετήσετε διάφορα όργανα, φωνές κ.λ.π., ώστε να καταλαμβάνουν κάποια συγκεκριμένη θέση μέσα στο στέρεο-χώρο, δηλαδή η φωνή στη μέση, κάποια κιθάρα προς τα δεξιά, η ντραμς προς τα αριστερά κ.λπ Fader Το fader είναι υπεύθυνο για την ένταση (volume) του ήχου κάθε καναλιού. Ο ρυθμιστής αυτός είναι συνήθως ένα συρόμενο ποτενσιόμετρο, αλλά μερικές κονσόλες μίξης, πιο μικρές σε μέγεθος, έχουν περιστρεφόμενα κουμπιά. ΗΧΗΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Ι ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ ΘΕΩΡΙΑΣ 43

44 7.3.6 Διακόπτης mute Ένα κανάλι μπορεί να τεθεί εκτός λειτουργίας χρησιμοποιώντας τον διακόπτη mute, δηλαδή να γίνει «βουβό». Είναι σημαντικό η λειτουργία αυτού του διακόπτη να γίνεται «καθαρά» και χωρίς θορύβους, αλλιώς σε κάποια ηχογράφηση που θα χρειαστεί να κάνετε mute ένα κανάλι στη διάρκεια της μίξης, μπορεί να γραφτεί ο θόρυβος του on-off στη μαγνητοταινία. Κατά τα άλλα η παρουσία ενός διακόπτη mute βοηθάει πάρα πολύ στη ρύθμιση του κάθε καναλιού ξεχωριστά, γιατί ανοιγοκλείνοντας τους διακόπτες, μπορείτε κατά περίπτωση να εντοπίσετε κάποια παραμόρφωση, ή και να κάνετε ακρόαση από το monitor μόνο ενός καναλιού κλείνοντας τα υπόλοιπα κλπ Insert (εισαγωγές/παρεμβολές σήματος) Δίπλα στις υποδοχές mic/line υπάρχουν συνήθως δύο άλλες υποδοχές για βύσμα-καρφί (ή μία στέρεο βύσμα-καρφί) που ονομάζονται send (έξοδος) και return (επιστροφή). Αυτές είναι τα insert και συμπληρώνουν (ή αντικαθιστούν) τις βοηθητικές υποδοχές auxiliary. Όπου υπάρχουν, σας προσφέρουν τη δυνατότητα επιπλέον σύνδεσης κάποιου e ηχογράφηση που θα χρειαστεί να κάνετε mute ένα κανάλι στη διάρκεια της μίξης, μπορεί να γραφτεί ο θόρυβος του on-off στη μαγνητοταινία. Κατά τα άλλα η παρουσία ενός διακόπτη mute βοηθάει πάρα πολύ στη ρύθμιση του κάθε καναλιού ξεχωριστά, γιατί ανοιγοκλείνοντας τους διακόπτες, μπορείτε κατά περίπτωση να εντοπίσετε κάποια παραμόρφωση, ή και να κάνετε ακρόαση από το monitor μόνο ενός καναλιού, εφέ στο κάθε κανάλι Phantom power Η τροφοδοσία phantom παρέχει ένα συνεχές ρεύμα που απαιτείται για την λειτουργία πυκνωτικών μικροφώνων και DI box (κουτιά απευθείας σύνδεσης) όταν αυτά συνδέονται στην κονσόλα μίξης Τμήμα εξόδου Στο δεξί μέρος της συσκευής είναι το τμήμα εξόδου της κονσόλας. Εδώ υπάρχουν τα κανάλια εξόδου όπου συγκεντρώνονται τα «επεξεργασμένα» σήματα των καναλιών εισόδου και γίνονται δύο. Εδώ γίνεται και η τελική επεξεργασία master των σημάτων. Με το master fader ρυθμίζουμε την ένταση του σήματος που «φεύγει» από την κονσόλα μίξης. ΗΧΗΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Ι ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ ΘΕΩΡΙΑΣ 44

45 7.4 Η κονσόλα στο PA Όλα τα συστήματα - από το μικρότερο έως το μεγαλύτερο - ακολουθούν την ίδια βασική διάταξη. Το σχήμα δείχνει πώς τα κύρια συστατικά σε ένα σύστημα ήχου συνδέονται το ένα με το άλλο. Τα βέλη παρουσιάζουν την κατεύθυνση της ροής σημάτων. Τα χαμηλού επιπέδου σήματα από τα pickup των μουσικών οργάνων και από τα μικρόφωνα καθοδηγούνται στις εισόδους των καναλιών μέσω καλωδίου multi. Στις εισόδους της κονσόλας, τα σήματα ενισχύονται σε στάθμη line από τους προενισχυτές των εισόδων. Προτού να αναμιχθούν μαζί, τα line σήματα μπορούν να οδηγηθούν στους επεξεργαστές σήματος μέσω των insert. Μπορούν επίσης να προστεθούν εφε μέσω send-return. Από τις εξόδους της κονσόλας το μιξαρισμένο σήμα - που είναι ακόμα σε επίπεδο line στέλνετε στα crossover και στους ενισχυτές των monitor. Μερικές φορές τα σήματα επιστροφής χρησιμοποιούν χωριστό καλώδιο multi, αλλά πιο συχνά το ίδιο καλώδιο χρησιμοποιείται και για των δύο κατευθύνσεων σήματα. Το crossover διαιρεί το σήμα σε ζώνες συχνότητας, και κάθε ζώνη τροφοδοτεί έναν ενισχυτή. κι αυτός ένα ή περισσότερα ηχεία. (στην εικόνα, η σύνδεση με τα δεξιά ηχεία έχει παραλειφθεί για το απλούστερο του σχήματος). Στα μικρότερα συστήματα δεν χρειάζεται απαραίτητα το καλώδιο multi, και μερικοί μίκτες συμπεριλαμβάνουν μονάδες εφε. Τα μεγαλύτερα συστήματα διαφέρουν γενικά μόνο σε ποσότητα. Από πλευράς εισόδου και επεξεργασίας σήματος μπορούν να υπάρξουν περισσότερα κανάλια (με περισσότερες δυνατότητες ελέγχου) στην κονσόλα, μεγαλύτερο καλώδιο multi και περισσότερα εφε και επεξεργαστές σήματος. Στις μεγαλύτερες παραγωγές το stage box θα έχει περισσότερους από ένα συνδέτες καλωδίων multi, έτσι ώστε ένα άλλο καλώδιο multi και ένας άλλος μίκτης να μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τα monitor. Σε μεγαλύτερα stage μπορούν επίσης να υπάρξουν χωριστά μικρότερα καλώδια multi, (το 8-κάναλο multi είναι συνηθισμένο) που να τροφοδοτούν group σημάτων πάνω στο stage. Από πλευράς εξόδου το crossover μπορεί να έχει περισσότερες ζώνες συχνότητας, τροφοδοτώντας περισσότερους ενισχυτές ισχύος που στη συνέχεια τροφοδοτούν ηχεία με περισσότερα μεγάφωνα. Μπορούν ακόμη και να υπάρξουν μονάδες delayline για ένα χρονοκαθυστερημένο σήμα, μια και θα υπάρχουν ηχεία μακριά από την σκηνή καθώς επίσης να χρησιμοποιήσουν τις ενεργά (active) crossover. Εντούτοις, το βασικό σχεδιάγραμμα θα ακολουθήσει ακόμα την ίδια μορφή. Σχήμα 37: Η κονσόλα στο PA. ΗΧΗΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Ι ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ ΘΕΩΡΙΑΣ 45

46 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8. ΜΕΓΑΦΩΝΑ Ένα από τα πρώτα τεχνολογικά επιτεύγματα που επέτρεψαν την χρήση της τεχνολογίας στο χώρο του ήχου και της μουσικής είναι τα μεγάφωνα. Είναι διατάξεις που κάνουν ακριβώς την αντίθετη διαδικασία από τα μικρόφωνα. Πρόκειται δηλ. για ηλεκτρoακουστικούς μετατροπείς που μετατρέπουν ηλεκτρικά σήματα μεγάλης ισχύος πρώτα σε μηχανικές ταλάντωσης και στη συνέχεια σε ηχητικά κύματα. 8.1 Μέθοδοι ηλεκτρoακουστικής μετατροπής στα μεγάφωνα Υπάρχουν διάφοροι πιθανοί τρόποι ηλεκτροακουστικής μετατροπής στα μεγάφωνα, αλλά δύο μέθοδοι επικρατούν συντριπτικά, το ηλεκτρομαγνητικά προσαρμοσμένο διάφραγμα και το πιεζοηλεκτρικά προσαρμοσμένο διάφραγμα. Από τα δύο το πρώτο είναι κατά πολύ το πιο συνηθισμένο Ηλεκτρομαγνητική μετατροπή Στο μεγάφωνο αυτό υπάρχει ένα πηνίο που είναι τοποθετημένο στο μαγνητικό πεδίο ενός μόνιμου μαγνήτη, το οποίο ονομάζεται πηνίο φωνής (voice coil). Πάνω στο πηνίο αυτό είναι στερεωμένο ένα διάφραγμα ή κώνος που είναι συνήθως από πεπιεσμένο χαρτί ή από αλουμίνιο. Γύρω του υπάρχει ένα μεταλλικό πλαίσιο πάνω στο οποίο στηρίζεται με μια ειδική ανάρτηση που χρησιμοποιείται και για την απόσβεση των ταλαντώσεων. Το πηνίο φωνής και ο κώνος κινούνται ελεύθερα στο διάκενο που σχηματίζει ο μαγνήτης. Για να διατηρηθεί αυτός ο άξονας κίνησης χρησιμοποιείται μια δεύτερη ανάρτηση πού έχει πτυχές σαν δακτυλίους και επειδή το υλικό της είναι λεπτό σαν ιστός αράχνης ονομάζεται spider. Το πηνίο δέχεται το εναλλασσόμενο ρεύμα που αναπαριστά το ηχητικό κύμα. Το μεταβαλλόμενο αυτό ρεύμα καθώς περνάει μέσα από το μαγνητικό πεδίο προκαλεί την ανάπτυξη δυνάμεων Laplace πάνω στο πηνίο το οποίο μπορεί να κινείται. Έτσι μπορεί να κινεί με την ίδια συχνότητα και τον κώνο που είναι κολλημένος πάνω του. Η κίνηση αυτή του κώνου θέτει σε κίνηση τα μόρια του αέρα και παράγεται ήχος. Η δύναμη Laplace δίνεται από την σχέση: F = B I ημφ άρα η ακουστική ισχύς εξόδου για το μεγάφωνο μόνιμου μαγνήτη είναι ανάλογη της έντασης του μαγνητικού πεδίου του μόνιμου μαγνήτη και ανάλογη της έντασης του ρεύματος που διατρέχει το πηνίο φωνής. Σχήμα 38: Μεγάφωνο με ηλεκτρομαγνητική μετατροπή σαν αρχή λειτουργίας (πάνω) και όπως είναι στην πραγματικότητα (κάτω). ΗΧΗΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Ι ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ ΘΕΩΡΙΑΣ 46

47 Όσο μεγαλύτερη είναι λοιπόν ή ένταση του μαγνητικού πεδίου και ή ένταση του ρεύματος, τόσο μεγαλύτερη ή δύναμη που αναπτύσσεται και επομένως ή ένταση του ήχου που παράγεται Πιεζοηλεκτρική μετατροπή Η άλλη μέθοδος μετατροπής που χρησιμοποιείται είναι βασισμένη στο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο. Το πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο είναι μια ιδιότητα ορισμένων κρυσταλλικών υλικών. Όταν ένας τέτοιος κρύσταλλος παραμορφώνεται μηχανικά παράγεται ηλεκτρική ενέργεια. Αφ' ετέρου, εάν ένα ηλεκτρικό δυναμικό εφαρμοσθεί στον κρύσταλλο, αλλάζει διαστάσεις. Σχήμα 39: Διμορφικά στοιχεία Τα πιεζοηλεκτρικά στοιχεία που χρησιμοποιούνται στους ακουστικούς μετατροπείς είναι γενικά του τύπου που είναι γνωστού ως διμορφικά (bimorphs). Οι κρύσταλλοι αυτοί είναι στοιχεία κατασκευασμένα με δύο στρώματα πιεζοηλεκτρικού υλικού. Στο σχήμα 39 φαίνεται ο τύπος παραμόρφωσης των διμορφικων αυτών κρυστάλλων όταν μια τάση εφαρμόζεται σε αυτούς. Στο σχήμα 40 φαίνεται η κατασκευή ενός χαρακτηριστικού πιεζοηλεκτρικού μεγαφώνου. Το σήμα έρχεται από τον ενισχυτή ισχύος (1). Ο κρύσταλλος (2), στη συνέχεια, ενώνεται με ένα διάφραγμα (3). Τα πιεζοηλεκτρικά μεγάφωνα χρησιμοποιούνται μόνο σαν υψηλής συχνότητας μεγάφωνα (συνήθως ενεργώντας επάνω από 5 khz) μια και οι αποκρίσεις τους πέφτουν πολύ στις μεσαίες και στις χαμηλές συχνότητες. Σχήμα 40: Αρχή λειτουργίας μεγαφώνου με πιεζοηλεκτρική μετατροπή. 8.2 Συχνοτική απόκριση μεγαφώνου Η συχνοτική απόκριση είναι μια σύγκριση στο πεδίο συχνοτήτων της στάθμης ακουστικής πίεσης (έξοδος) ενός μεγαφώνου με την στάθμη ισχύος της εισόδου Μια χαρακτηριστική προδιαγραφή συχνοτικής απόκρισης μεγάφωνου full range είναι: 30 Hz Hz, ±3 db Η προδιαγραφή αυτή μας λέει ότι μέσα στο δηλωμένο συχνοτικό εύρος (δηλ. 30 Hz Hz), εάν συγκρίνουμε την στάθμη ακουστικής πίεσης με την στάθμη ισχύος του σήματος στο μεγάφωνο σε οποιαδήποτε συχνότητα, ο λόγος μεταξύ των δύο θα είναι ±3 db, δηλ. σε ένα παράθυρο 6 db (+ 3 db - (-3 db) = 6 db. Η συχνοτική απόκριση μπορεί επίσης να δίνεται ως γραφική παράσταση, όπως δηλ. στο σχήμα 41. Σχήμα 41: Συχνοτική απόκριση full range μεγαφώνου. ΗΧΗΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Ι ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ ΘΕΩΡΙΑΣ 47

48 8.3 Διάφοροι τύποι μεγαφώνων ανάλογα με την περιοχή συχνοτήτων Στην παράγραφο αυτή θα εξετάσουμε διάφορους τύπους μεγαφώνων ανάλογα με την περιοχή συχνοτήτων που χρησιμοποιούνται Από την κατασκευή του ένα μεγάφωνο είναι φτιαγμένο για να αποδίδει καλύτερα σε κάποιες περιοχές συχνοτήτων. Ανάλογα με την περιοχή που αποκρίνονται ονομάζονται tweeter (μεγάφωνο υψηλών συχνοτήτων), midrange (μεσαίων συχνοτήτων), woofer (χαμηλών συχνοτήτων). Υπάρχουν ωστόσο και μεγάφωνα που είναι κατασκευασμένα να αποκρίνονται σε όλο το εύρος του ακουστικού φάσματος και ονομάζονται full range (όλων των συχνοτήτων). Το woofer είναι μεγάφωνο που χρησιμοποιείται στην περιοχή των χαμηλών συχνοτήτων (μπάσα). Τα woofer πρέπει να είναι μεγάφωνα με γερή κατασκευή, ισχυρό μαγνητικό σύστημα και πηνίο φωνής με μεγάλη διάμετρο πού να μπορεί να δίνει μεγάλα πλάτη κίνησης. Το μέγεθος ενός woofer αποδίδεται από την διάμετρο του κώνου του. Τυπικά μεγέθη είναι οι 12, 15 και 18 ίντσες ( δηλ. 30.5, 38 και 45.7 cm αντίστοιχα). Η θεμελιώδης συχνότητα συντονισμού πρέπει να είναι πολύ χαμηλή, μεταξύ Hz. Αυτό επιτυγχάνεται με κώνο μεγάλης διαμέτρου και εύκαμπτο σύστημα ανάρτησης. Το υλικό για ένα τέτοιο σύστημα μπορεί να είναι για παράδειγμα πλαστικός αφρός (plastic foam) ή μια ειδικά επεξεργασμένη βατίστα (λεπτό λινό ύφασμα). Οι συχνότητες που καλύπτει συνήθως το woofer είναι Hz. Το mid range μεγάφωνο χρησιμοποιείται για τη μεσαία περιοχή συχνοτήτων, είναι μικρότερο σε μέγεθος και καλύπτει μια περιοχή από Hz. Είναι συνήθως μεγάφωνα κώνου. Το tweeter χρησιμοποιείται για την περιοχή των υψηλών συχνοτήτων και μπορεί να είναι μεγάφωνο κώνου αλλά και χοάνης ανάλογα με την χρήση. Καλύπτει την υπόλοιπη περιοχή του ακουστικού φάσματος, δηλ. περί τα 3-20 khz. Σχήμα 42: Σύγκριση διαστάσεων (σαν τάξη μεγέθους) μεταξύ woofer, midrange και tweeter και οι αντίστοιχες καμπύλες του crossover 8.4 Μεγάφωνα απευθείας ακτινοβολίας Υπάρχουν δύο μεγάλες κατηγορίες μεγαφώνων απευθείας ακτινοβολίας. Το πρώτο είδος είναι εκείνο στο οποίο ή ταλαντούμενη επιφάνεια (το διάφραγμα ή ο κώνος) ακτινοβολεί απευθείας στον αέρα (direct radiator loudspeaker) και το δεύτερο είδος είναι εκείνο στο οποίο τοποθετείται μεταξύ του διαφράγματος και του αέρα μια κόρνα (horn loudspeaker). Τα πρώτα που ονομάζονται και μεγάφωνα τύπου ΗΧΗΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Ι ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ ΘΕΩΡΙΑΣ 48

49 κώνου χρησιμοποιούνται πιο συχνά, ενώ τα δεύτερα που ονομάζονται και τύπου κόρνας χρησιμοποιούνται συνήθως για τη μεσαία και υψηλή περιοχή συχνοτήτων σε συστήματα, σε συνδυασμό με μεγάφωνα τύπου κώνου και σε εγκαταστάσεις μεγάλης ισχύος εξωτερικών χώρων, ηχητικά συστήματα κινηματογράφων και θεάτρων κλπ. Τα μεγάφωνα τύπου κώνου χρησιμοποιούνται περισσότερο γιατί έχουν μικρό μέγεθος, χαμηλό κόστος και καλή απόκριση σε μεγάλο εύρος συχνοτήτων, μειονεκτούν όμως ως προς την απόδοση στις υψηλές συχνότητες. Τα μεγάφωνα χοάνης (ή κόρνες) είναι μεγάφωνα με μεγάλη απόδοση. Χρησιμοποιούνται σε συναυλίες, ομιλίες και γενικά όπου χρειάζεται μεγάλη ακουστική ισχύς. Στο σχήμα 43 φαίνεται ένα τέτοιο μεγάφωνο το οποίο και αποτελείται από το πηνίο φωνής, τον ηχητικό θάλαμο, τον μόνιμο μαγνήτη, το διάφραγμα, το στόμιο και την χοάνη. Ο ρόλος της χοάνης είναι να μετατρέπει την ενέργεια του θαλάμου που είναι υψηλής πίεσης και χαμηλής ταχύτητας, σε ενέργεια χαμηλής πίεσης και μεγάλης ταχύτητας. Η χοάνη λειτουργεί σαν ένα μέσο προσαρμογής του ελεύθερου χώρου με τον ηχητικό θάλαμο, αυξάνοντας έτσι την απόδοση. Σε αυτά τα μεγάφωνα η απόδοση ανεβαίνει στο 40% - 50%. Για κατασκευαστικούς λόγους οι χαμηλές συχνότητες δεν μπορούν να ενισχυθούν με ένα σύστημα χοάνης. Έτσι τα μεγάφωνα αυτά χρησιμοποιούνται για τις υψηλές συχνότητες κυρίως και σπανιότερα για τις μεσαίες. Οι κόρνες λοιπόν από κατασκευής τους λειτουργούν σαν φίλτρα αποκοπής των χαμηλών συχνοτήτων, ωστόσο δεν πρέπει να τις οδηγούμε με ενέργεια χαμηλών συχνοτήτων γιατί η ενέργεια αυτή μην μπορώντας να μετατραπεί σε μια άλλη μορφή μετατρέπεται σε θερμότητα και έτσι μπορεί να καταστρέψει το μεγάφωνο. Σχήμα 43: Μεγάφωνο χοάνης (κόρνα) 8.5 Ηλεκτρονικοί διαχωριστές περιοχής συχνοτήτων (crossover) Είναι προφανές ότι όταν χρησιμοποιούμαι διαφορετικά μεγάφωνα για τις διάφορες περιοχές συχνοτήτων σε συνδυασμό, δεν είναι σωστό να στέλνουμε το σύνολο της ισχύος σε όλα τα μεγάφωνα του συστήματος για πολλούς λόγους. Γιατί έχουμε απώλεια ισχύος, γιατί δεν έχουμε σαφή διαχωρισμό των συχνοτήτων, γιατί μπορεί να δημιουργηθούν σοβαρά προβλήματα όταν ένα μεγάφωνο δονείται σε συχνότητα για την οποία δεν είναι σχεδιασμένο (παραγωγή ανεπιθύμητων αρμονικών κλπ.) ΗΧΗΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Ι ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ ΘΕΩΡΙΑΣ 49

50 και γιατί μπορεί το μεγάφωνο να καταστραφεί μιας και σε ένα σύστημα μεγαφώνων μίας συγκεκριμένης ονομαστικής ισχύος ή κατανομή της ακουστικής ισχύος δεν είναι ισοδύναμη για κάθε μεγάφωνο. Το μεγαλύτερο ποσοστό ισχύος καταναλώνεται στα μεγάφωνα που είναι υπεύθυνα για τις χαμηλές περιοχές συχνοτήτων και μειώνεται το ποσοστό αυτό όσο αυξάνονται οι συχνότητες. Έτσι είναι αναγκαία μια διάταξη που να διαχωρίζει την ισχύ σε περιοχές συχνοτήτων ανάλογα με τα μεγάφωνα που θέλουμε να χρησιμοποιήσουμε αλλά και ανάλογα με την ισχύ. Οι διατάξεις αυτές στην πλειοψηφία τους είναι παθητικά φίλτρα, αποκοπής χαμηλών συχνοτήτων, αποκοπής υψηλών συχνοτήτων και φίλτρα διέλευσης ζώνης. Είναι φανερό ότι αν ένα σύστημα ηχείου είναι δύο δρόμων, αποτελείται δηλαδή από ένα μεγάφωνο χαμηλών και ένα μεγάφωνο υψηλών συχνοτήτων το cross over πού χρειαζόμαστε είναι ένα σύστημα δύο φίλτρων, το ένα διέλευσης χαμηλών (low pass filter) και το άλλο διέλευσης υψηλών (high pass filter). Αν έχουμε ένα σύστημα τριών δρόμων με μεγάφωνα χαμηλών, υψηλών και μεσαίων συχνοτήτων τότε χρειαζόμαστε ένα cross over με τρία φίλτρα, ένα διέλευσης χαμηλών (LP), ένα διέλευσης υψηλών (ΗΡ) και ένα διέλευσης ζώνης συχνοτήτων (band pass filter, BP). Στο σχήμα 44 βλέπουμε τις καμπύλες απόκρισης ενός crossover τριών δρόμων. Για δύο δρόμων crossover σκεφτείτε απλά ότι θα λείπει η καμπύλη του band pass φίλτρου και φέρτε πιο κοντά στο σχήμα την καμπύλη του διέλευσης χαμηλών με την καμπύλη του διέλευσης υψηλών, για να μπορούν τα δυο αυτά μόνα τους να καλύψουν όλο το συχνοτικό φάσμα. Σχήμα 44: Καμπύλες απόκρισης ενός crossover τριών δρόμων. Τα φίλτρα που σαν ηλεκτρονικές διατάξεις θα μελετηθούν στο μέλλον είναι στην ουσία κυκλώματα που αποτελούνται από αντιστάσεις, πυκνωτές και πηνία, που είναι συνδεμένα με τέτοιο τρόπο ώστε για διάφορες τιμές συχνοτήτων να συμπεριφέροντε σαν αγωγοί ή σαν διακόπτες ή να συντονίζονται αυξάνοντας ή μειώνοντας την ολική αντίσταση ενός βρόγχου. Παρακάτω θα αναφερθούμε στην χρήση ενός φίλτρου αποτελούμενο από πηνίο και πυκνωτή, πού είναι και η πιο απλή διάταξη φίλτρου για τα μεγάφωνα. Από την ηλεκτροτεχνία ξέρουμε ότι ή σύνθετη αντίσταση ενός πυκνωτή δίνετε από τη σχέση: 1 Ζ c = C, άρα για ω=0, Ζc =. Όσο αυξάνει λοιπόν ή συχνότητα άρα και το ω (ω=2πf) τόσο μειώνεται το Ζ c και αντίστροφα. Στις χαμηλές δηλαδή συχνότητες ή σύνθετη αντίσταση του πυκνωτή είναι ΗΧΗΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Ι ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ ΘΕΩΡΙΑΣ 50

51 μεγάλη, ενώ στις υψηλές συχνότητες είναι μικρή. Έτσι συνδέοντας έναν πυκνωτή σε σειρά με ένα ηχείο, αυτός αποκόπτει τις χαμηλές συχνότητες και αφήνει να περάσουν οι υψηλές, ενώ συνδέοντας τον παράλληλα δίνει ένα δρόμο χαμηλής αντίστασης για τις υψηλές συχνότητες και τις αποκόπτει από το μεγάφωνο, ενώ ο δρόμος αυτός λειτουργεί σαν διακόπτης (λόγω μεγάλης αντίστασης) για τις χαμηλές συχνότητες και τις αναγκάζει να περάσουν από το ηχείο. Από την ηλεκτροτεχνία ξέρουμε επίσης για ένα πηνίο ότι η σύνθετη του αντίσταση δίνεται από τη σχέση Ζ L=ωL και επομένως για ω=0 είναι Ζ L =0 και όσο αυξάνεται η συχνότητα (ω=2πf) αυξάνεται και η αντίσταση που παρουσιάζει το πηνίο. Έτσι όταν συνδεθεί σε σειρά έχει μεγάλη αντίσταση στις υψηλές συχνότητες και λειτουργεί σαν φίλτρο αποκοπής υψηλών, ενώ όταν συνδεθεί παράλληλα δίνει ένα δρόμο χαμηλής αντίστασης στις χαμηλές συχνότητες και τις αποκόπτει από το μεγάφωνο, ενώ λειτουργεί σαν διακόπτης στις υψηλές συχνότητες ο δρόμος αυτός και τις οδηγεί μέσα από το μεγάφωνο. Στο σχήμα 45 φαίνονται οι συνδεσμολογίες αυτές του πυκνωτή, είτε του πηνίου. Σχήμα 45: Συνδεσμολογίες πυκνωτή, πηνίου (χωριστά) σαν φίλτρο. Είναι προφανές ότι όταν συνδυάσουμε τον πυκνωτή και το πηνίο ο ρυθμός αποκοπής του φίλτρου που μετράτε σε db/οκτάβα θα είναι μεγαλύτερος. Έτσι όταν θέλουμε για παράδειγμα να κάνουμε ένα συνδυασμό ενός tweeter και ενός woofer ένα κύκλωμα crossover φαίνεται στο σχήμα 46 ή για ένα πιο ρεαλιστικό κύκλωμα δείτε το σχήμα 47. Με την ίδια λογική όταν έχουμε ένα κύκλωμα RLC σε σειρά για παράδειγμα, αυτό το κύκλωμα μπορεί να συντονιστεί σε μια συγκεκριμένη συχνότητα που είναι ω O = 1 και από τη σχέση ω = 2πf έχουμε f =, έτσι για LC τη συχνότητα συντονισμού θα έχουμε: f o = 1 = 2π 2 LC 2π Σχήμα 46: Συνδεσμολογίες πυκνωτή, πηνίου (μαζί) σαν φίλτρο. Στο σημείο συντονισμού (και σε μια περιοχή συχνοτήτων εκατέρωθεν), ή αντίσταση γίνεται τεράστια και έτσι με συνδέσεις του κυκλώματος συντονισμού σε σειρά ή παράλληλα μπορούμε να έχουμε αποκοπή ή διέλευση μιας περιοχής συχνοτήτων. Σχήμα 47: Ένα πιο ρεαλιστικό κύκλωμα crossover. 8.6 Χαρακτηριστικά ΗΧΗΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Ι ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ ΘΕΩΡΙΑΣ 51

52 μεγαφώνων Τα βασικά χαρακτηριστικά που μας επιτρέπουν να εκτιμήσουμε την ποιότητα αλλά και να κατατάξουμε ένα μεγάφωνο σε κάποιο είδος, είναι τα παρακάτω (θα εξετασθούν λεπτομερώς στο επόμενο εξάμηνο): Απόκριση συχνότητας Την εξετάσαμε στην 8.2 Ευαισθησία (Sensitivity) Η ευαισθησία ενός μεγαφώνου ορίζεται με διάφορους τρόπους: db SPL σε 1 m μπροστά από το μεγάφωνο, με σήμα εισόδου 1 Watt είναι ο πιο συνηθισμένος τρόπος. Άλλοι ορισμοί της ευαισθησίας είναι 1 Watt σε 4 πόδια, ή 1 milliwatt σε 30 πόδια. Υποθέτοντας την πιο κοινή περίπτωση (1 Watt, 1 m ), υπάρχουν ακόμα μερικές διαφορές μεταξύ των προδιαγραφών των διαφορετικών κατασκευαστών. Το μικρόφωνο μέτρησης πρέπει να τοποθετηθεί άμεσα μπροστά από το μεγάφωνο σε ένα ηχείο ενός μεγαφώνου, ή μπροστά από ένα σημείο στα μισά του δρόμου μεταξύ των δύο μεγαφώνων σε ένα ηχείο δύο δρόμων. Σε τριών ή περισσοτέρων δρόμων συστήματα ηχείων παρουσιάζεται το πρόβλημα ότι επειδή το μικρόφωνο βρίσκεται σε 1 m απόσταση μπορούν να υπάρξουν σημαντικές διαφορές στις μετρήσεις SPL σε κάποια μεγάφωνα που είναι εκτός του κεντρικού άξονα. Κατευθυντικότητα (Directivity) Κάθε μεγάφωνο ακτινοβολεί ηχητικά κύματα σε κάποια γωνία γύρω του μικρότερη ή μεγαλύτερη. Η διασπορά του μεγαφώνου στο χώρο δίνεται από διάγραμμα κάλυψης (coverage), από διαγράμματα πλάτους δέσμης (beamwidth) από ομάδες καμπυλών συχνοτικής απόκρισης για κάποιες κατευθύνσεις στον χώρο ή τέλος από πολικά διαγράμματα (polar plot). Ακουστική ισχύς εξόδου Είναι η ισχύς πάνω από την οποία όταν δοθεί στο μεγάφωνο αυτό καταστρέφεται. Η τιμή αυτή δίνεται συνήθως σε RMS και στιγμιαία τιμή. Συνηθίζεται για λόγους ασφαλείας στους ενισχυτές των συστημάτων ήχου να βάζουμε μεγάφωνα μεγαλύτερης ισχύος από αυτήν που δίνει ο ενισχυτής. Σχήμα 48: Πολικά διαγράμματα ηχείου για 1, 5, 10, 15 και 20 khz. Απόδοση Η απόδοση των μεγαφώνων είναι συνήθως πολύ χαμηλή, κυμαίνεται στις χαμηλές συχνότητες (200 Hz) στο 5% και σε υψηλές συχνότητες (15 khz ) στο 0,1 %. ΗΧΗΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Ι ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ ΘΕΩΡΙΑΣ 52

53 Εξαρτάται από το πηλίκο: ά ί ά ά ά έ ί ί Σύνθετη αντίσταση (Impedance) Η αντίσταση του μεγαφώνου δεν είναι σταθερή αλλά μεταβάλλεται με τη συχνότητα πράγμα που συμβαίνει πρώτον γιατί το πηνίο που χρησιμοποιείται έχει εκτός από ωμική αντίσταση και επαγωγική, αλλά και επειδή όλο το μηχανικό σύστημα ταλάντωσης του μεγαφώνου, αλλά και το ελαστικό μέσο που είναι ο αέρας, παρουσιάζει διαφορετική συμπεριφορά στις διάφορες συχνότητες. Στα μεγάφωνα που συναντάμε στο εμπόριο σήμερα υπάρχουν προκαθορισμένες τιμές σύνθετης αντίστασης για να μπορούμε να έχουμε εύκολα τις ίδιες και στους ενισχυτές και να πετυχαίνουμε έτσι προσαρμογή (matching) και μέγιστη μεταφορά ισχύος. Οι τιμές αυτές είναι 4, 8 ή 16 Ω. 8.7 Συνδυασμοί μεγαφώνων Για να καλύψουμε όλο το εύρος συχνοτήτων με καλύτερο τρόπο μιας και τα μεγάφωνα όπως είδαμε παραπάνω δεν καλύπτουν ικανοποιητικά όλο το φάσμα των ακουστικών συχνοτήτων δημιουργούμε συστοιχίες μεγαφώνων. Συνδέουμε τα μεγάφωνα με διάφορες συνδεσμολογίες (παράλληλα ή σε σειρά) για να έχουμε και τις επιθυμητές σύνθετες αντιστάσεις και επομένως και προσαρμογή στο υπόλοιπο σύστημα. Σχήμα 49 : Καμπύλη σύνθετης αντίστασης μεγαφώνου. Η σύνθετη αντίσταση μεγάφωνου εκφράζει το λόγο της rms τάσης προς την rms ένταση που διαρρέει το μεγάφωνο. Η τιμή αυτή για το μεγάφωνο δεν παραμένει σταθερή αλλά μεταβάλλεται σε συνάρτηση με την συχνότητα του σήματος. Για τον λόγο αυτό οι κατασκευαστές δίνουν για τα μεγάφωνα μια ονομαστική αντίσταση (Nominal Impedance), η οποία έχει μια ανοχή 20-30% από την πραγματική μέση τιμή της αντίστασης. Σύνδεση σε σειρά: Είναι ή γνωστή από την ηλεκτροτεχνία η σύνδεση σε σειρά αντιστάσεων. Για τα μεγάφωνα ισχύουν οι ίδιες ιδιότητες. Έτσι για την σύνδεση σε σειρά μεγαφώνων με ονομαστικές αντιστάσεις Z 1, Z 2,,Z n έχουμε την σύνδεση του παρακάτω σχήματος και τη σχέση: Z ολ = Z 1 + Z Z n Σύνδεση παράλληλη: Και εδώ ισχύει ή συνδεσμολογία η ανάλογη αυτής των αντιστάσεων οπότε για τα παραπάνω μεγάφωνα έχουμε στην παράλληλη σύνδεση ότι: Z ολ = 1 Z Z 2 1 Z n Σχήμα 50: Συνδεσμολογία τεσσάρων μεγαφώνων 8Ω που δίνουν ολική αντίσταση 8Ω. Για να βελτιώσουμε την καμπύλη απόκρισης των μεγαφώνων ΗΧΗΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Ι ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ ΘΕΩΡΙΑΣ 53

54 και να πετύχουμε συγκεκριμένες τιμές σύνθετης αντίστασης και σωστή κατανομή ισχύος, είμαστε αναγκασμένοι πολλές φορές να κάνουμε συνδυασμούς συνδεσμολογιών, παράλληλων και σε σειρά. Στο σχήμα 50 φαίνεται ένας τέτοιος συνδυασμός όπου χρησιμοποιούμε τέσσερα μεγάφωνα 8Ω και παίρνουμε ολική σύνθετη αντίσταση 8Ω. Συνδέουμε τα μεγάφωνα ανά δύο παράλληλα και μας δίνουν ζευγάρια των 4Ω. Στη συνέχεια τα ζευγάρια των δύο παράλληλων συνδέσεων των 4Ω τα συνδέουμε μεταξύ τους σε σειρά και το τελικό σύστημα έχει σύνθετη αντίσταση 8Ω. Με τον ίδιο τρόπο κάνουμε διάφορους συνδυασμούς ανάλογα με την εφαρμογή που θέλουμε να πραγματοποιήσουμε. 8.8 Κατασκευή ηχείων Η κατασκευή των ηχείων είναι από μόνη της μια ολόκληρη επιστήμη. Η τοποθέτηση, ο συνδυασμός των μεγαφώνων, οι διάφορες τεχνικές εκμετάλλευσης της ισχύος που παράγεται στο εσωτερικό της καμπίνας, ή επιλογή του υλικού της καμπίνας, οι κατασκευαστικές διάφορες για το αν θέλουμε κατευθυντικότητα του ήχου, ή διασπορά και πολλά άλλα είναι παράγοντες που παίζουν ουσιαστικό ρόλο στην κατασκευή ενός ηχείου. Είναι ωστόσο βέβαιο το ότι για την κατασκευή των ηχείων τοποθετούμαι μεγάφωνα σε συνδυασμούς, έτσι ώστε να αποκρίνονται γραμμικά σε όλο το ακουστικό φάσμα, πάνω σε μια καμπίνα (κουτί) από ξύλο ή άλλο συμπαγές υλικό. Το σημαντικό είναι ή κατασκευή αυτή να είναι στερεή, να μην δονείται με τον ήχο των μεγαφώνων, να μην συντονίζει και να μην παράγει ανεπιθύμητους αρμονικούς. Υπάρχουν πάρα πολλά είδη σχεδιασμού μιας καμπίνας ηχείου. Μερικά από αυτά φαίνονται στο σχήμα 51. Το πιο συνηθισμένο και καλύτερο σε απόδοση είναι το ηχείο bass-reflex, καθώς συνδυάζει και προσθέτει (εάν έχει μελετηθεί σωστά) τα πίσω ηχητικά κύματα με τα μπροστά για καλύτερη απόδοση. Το σχήμα 52 δείχνει την τομή ενός ηχείου σχεδιασμού bass-reflex. Το μεγάφωνο έχει μία συχνότητα συντονισμού η οποία θα πρέπει να συνδυαστεί σωστά με την συχνότητα συντονισμού της οπής για τον σωστό συγχρονισμό των πίσω κυμάτων με τα μπροστά. Στο εσωτερικό της καμπίνας τοποθετείται στα τοιχώματα ήχοαπορροφητικό υλικό, όπως βάτα, για τον περιορισμό των στάσιμων κυμάτων και την απορρόφηση των εσωτερικών ανακλάσεων. Αυτό βελτιώνει αρκετά τον ήχο. Σημαντικό είναι επίσης η σωστή και καλή κατασκευή του κουτιού. Πρέπει να χρησιμοποιηθεί χοντρό ξύλο ~2mm, όπως κόντρα πλακέ θαλάσσης ή MDF με επιπλέον δοκούς σύνδεσης εσωτερικά της καμπίνας, ιδιαίτερα στις μεγάλες επιφάνειες. Σχήμα 51: Είδη σχεδιασμού καμπίνας ηχείου. Σχήμα 52: Ηχείο bass-reflex. Factors in the design of loudspeaker cabinets, [BBC Research Department, H.D. Harwood, R. Mathews]. Hifi Loudspeaker Enclosures, [B.B. Babani]. Loudspeaker and Headphone Handbook, [John Borwick]. Loudspeaker Design Cookbook, [Vance Dickason]. Τα παραπάνω είναι κάποια συγγράμματα που μπορούν να βοηθήσουν όποιον θελήσει ειδικές γνώσεις πάνω σε θέματα της επιστήμης της κατασκευής ηχείων. Κάποια τέτοια θέματα θα μας απασχολήσουν αργότερα και στο πλαίσιο του μαθήματος Ηχητικά Συστήματα ΙΙ. ΗΧΗΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Ι ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ ΘΕΩΡΙΑΣ 54

55 Ποιο είναι το καλύτερο υλικό για την κατασκευή της καμπίνας των ηχείων; Η ιδανική καμπίνα ενός ηχείου θα πρέπει να είναι άκαμπτη, ώστε να μην κινείται με τις εσωτερικές μεταβολές της πίεσης του αέρα. Θα πρέπει επίσης να έχει εξαιρετική απόσβεση ώστε να μην αποθηκεύει ενέργεια και η συχνότητα συντονισμού να είναι αρκετά υψηλή, για την αποφυγή χρωματισμών. Ένα υλικό για να θεωρηθεί χρήσιμο θα πρέπει να είναι εύκολο στην κοπή, κόλληση και στο φινίρισμα, καθώς και να είναι φθηνό. Με όλες αυτές τις ιδιότητες, προδιαγράφεται ότι κανένα υλικό δεν είναι τέλειο για τέτοια χρήση. Υπάρχουν πολλά είδη υλικών που έχουν πολύ καλά χαρακτηριστικά για την κατασκευή καμπίνων ηχείων. Αλλά καθένα έχει υπέρ και κατά. Κάθε καμπίνα μπορεί να βελτιωθεί κάνοντας τις πλευρές της παχύτερες και δυναμώνοντας όλες τις συγκολλήσεις. 'Όλα αυτά αυξάνουν την ακαμψία και την απόσβεση του ηχείου. Μια παχύτερη μπάφλα θα αποσβέσει καλύτερα λόγω αυξημένης ακαμψίας και μάζας (mass loading). Ξύλο μέσης πυκνότητας (Medium Density Fiberboard ή MDF): Είναι το πιο πρακτικό υλικό για ηχεία ποιότητας. Κόβεται «καλά» και έχει λεία επιφάνεια. Υπάρχει και επενδεδυμένο. Λουστράρεται πολύ καλά. Είναι βαρύ και δυσκολότερο στο δούλεμα του από το νοβοπάν. Είναι το υλικό που χρησιμοποιούν τα περισσότερα πολύ καλά ηχεία της αγοράς. Πολυκαρμπονέιτ (Polycarbonate ή Lexan): Διαφανής ή όχι μια πολυκαρμπονέιτ καμπίνα είναι αρκετά εντυπωσιακή. 'Όμως δεν είναι καθόλου οικονομικό υλικό. Κυκλοφορεί επίσης και πλεξιγκλάς που είναι φθηνότερο από το πολυκαρμπονέιτ, αλλά παρουσιάζει φτωχότερο συντελεστή απόσβεσης. Συνθετικά (Corian, Fountainhead, Avonite, Surell, Gibraltar): Ανεξάρτητα από την εταιρία κατασκευής, αυτά τα συνθετικά υλικά έρχονται σε πολλά χρώματα και ποιότητες. Είναι δύσκολο να αγοραστούν και να δουλευτούν. Χρειάζονται ειδική εργαλεία ενώ είναι δύσκολο να χρησιμοποιηθούν και βίδες. Το Corian είναι ακρυλική μίξη με σκόνη αλουμινίου. Τα Avonite, Gibraltar και Surell είναι μίξεις με ρητίνες πολυεστέρα και σκόνης αλουμινίου. Έχουν εξαιρετικά ηχητικά χαρακτηριστικά. Μάρμαρο (Marble): Το δύσκολο με τις καμπίνες ηχείων από μάρμαρο είναι η κοπή των οπών για να τοποθετηθούν τα μεγάφωνα. Το μάρμαρο είναι επίσης δύσκολο να κολληθεί. Κόντρα-πλακέ με γέμισμα άμμου ή μολύβδου (Plywood): Αν έχετε χρόνο και θέλετε ένα πολύ καλό κουτί ηχείων δοκιμάστε αυτό. Είναι ένα απλό κουτί με κόντρα-πλακέ. που τοποθετούνται τάκοι στο εξωτερικό μέρος του. Κολλιούνται φύλλα σκληρού ξύλου κατά προτίμηση λουστραρισμένου και γεμίζεται το κενό μεταξύ των τάκων με άμμο ή μολύβι (π.χ. σκάγια). Οι καμπίνες αυτές δεν είναι ελαφρές αλλά με το γέμισμα που έχουν παρουσιάζουν υψηλή απόσβεση. Φύλλα κυψελωτού αλουμινίου (Aerolam): Το υλικό αυτό χρησιμοποιείται στα αεροπλάνα για δάπεδο. Πρόκειται για ένα πολύ ελαφρύ υλικό με εξαιρετική συμπεριφορά στις ακουστικές συχνότητες. Κύριο προσόν του είναι η ελάχιστη απορρόφηση ενέργειας. Η Celestion έχει κατασκευάσει μερικά πολύ καλά ηχεία με αυτό. Μπετόν (Concrete): Υπάρχουν μερικά τρικ δουλεύοντας με το τσιμέντο, όπως το καλούπι, τα σίδερα που θα χρησιμοποιηθούν και η μίξη. Επίσης, μερικά τσιμέντα αποσβένουν καλύτερα από άλλα. ΗΧΗΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Ι ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ ΘΕΩΡΙΑΣ 55

56 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α. Τι είναι το RMS Το RMS είναι μια σύντμηση για το Root Mean Square (τετραγωνική ρίζα μέσης τιμής τετραγώνων). Είναι μια μαθηματική έκφραση που χρησιμοποιείται στην ηλεκτροακουστική για να περιγράψει την στάθμη ενός σήματος. Το RMS είναι ιδιαίτερα χρήσιμο στην περιγραφή της ενέργειας μιας σύνθετης κυματομορφής ή ενός ημιτονικού κύματος. Δεν είναι μέγιστη τιμή (peak level), ούτε μέση τιμή (average), αλλά λαμβάνεται από το τετράγωνο όλων των στιγμιαίων τάσεων μιας κυματομορφής, τον υπολογισμό του μέσου όρου των τετραγωνικών αυτών τιμών και τέλος την τετραγωνική ρίζα αυτού του αριθμού. Για ένα περιοδικό σήμα, όπως ένα ημιτονικό σήμα, η τιμή RMS προκύπτει αν πολλαπλασιάσουμε την peak τιμή με μια σταθερά. Για ένα μη περιοδικό σήμα (όπως η ομιλία ή η μουσική), η τιμή RMS μπορεί μόνο να μετρηθεί χρησιμοποιώντας ένα ειδικό μετρητή. Σχήμα 53: Τιμή RMS ενός ημιτονικού σήματος. Η τιμή RMS ενός ημιτονικού σήματος είναι 0,707 φορές η τιμή peak του κύματος, όπως φαίνεται στο σχήμα.53. ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ B. Λογάριθμοι Θυμηθείτε ότι: Αν α ρ = N τότε ρ = log α Ν (α 0,1) είναι ο λογάριθμος του Ν με βάση το α. log α ΜΝ = log α Μ + log α Ν log α M N = log α Μ - log α Ν log α Μ ρ = ρ log α Μ Οι δεκαδικοί λογάριθμοι έχουν βάση α = 10. Ο δεκαδικός λογάριθμος του Ν συμβολίζεται με log 10Ν ή πιο σύντομα log Ν. ΗΧΗΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Ι ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ ΘΕΩΡΙΑΣ 56